KR102390428B1 - Fabrication of Thermoelectric Materials with Enhanced Seebeck Coefficient through Localized Surface Plasmonic Resonance Gating - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제벡계수가 증가된 열전재료 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 열전재료는 ZnO로 이루어진 박막 또는 후막 또는 벌크재료로 된 ZnO 기재; 및 상기 ZnO 기재 위에 형성된 Ag 나노입자를 포함하고, 상기 Ag 나노입자가 빛을 흡수하여 플라즈모닉 공명에 의한 흡광 증폭을 일으켜 상기 ZnO의 제백계수를 증가시키는 것이다.An object of the present invention is to provide a thermoelectric material having an increased Seebeck coefficient and a method for manufacturing the same. The thermoelectric material according to the present invention includes a thin or thick film made of ZnO or a ZnO substrate made of a bulk material; and Ag nanoparticles formed on the ZnO substrate, wherein the Ag nanoparticles absorb light to cause absorption amplification by plasmonic resonance to increase the Seebeck coefficient of the ZnO.

Description

표면 플라즈모닉 게이팅을 통한 열전재료의 제백계수 향상 및 최적화를 위한 제조 방법 {Fabrication of Thermoelectric Materials with Enhanced Seebeck Coefficient through Localized Surface Plasmonic Resonance Gating}Fabrication of Thermoelectric Materials with Enhanced Seebeck Coefficient through Localized Surface Plasmonic Resonance Gating

본 발명은 열전재료 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 ZnO계 열전재료 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric material and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a ZnO-based thermoelectric material and a method for manufacturing the same.

대체 에너지의 개발 및 절약에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데, 효율적인 에너지 변환 물질에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 열-전기 에너지 변환재료인 열전재료에 대한 연구가 가속화되고 있다. While interest in the development and saving of alternative energy is on the rise, research on efficient energy conversion materials is being actively conducted. In particular, research on thermoelectric materials, which are thermal-electrical energy conversion materials, is accelerating.

고체 상태인 재료의 양단에 온도차가 있으면 열 의존성을 갖는 캐리어(전자 혹은 홀)도 그 양단에서 농도 차이가 발생하고 이것은 열기전력이라는 전기적인 현상, 즉 열전현상으로 나타난다. 이와 같이 열전현상은 온도의 차이와 전기 전압 사이의 가역적이고도 직접적인 에너지 변환을 의미한다. 이러한 열전현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전발전과, 반대로 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전냉각/가열로 구분할 수 있고, 이러한 열전현상을 보이는 재료가 열전재료이다.If there is a temperature difference at both ends of the material in the solid state, the concentration difference of carriers (electrons or holes) with thermal dependence also occurs at both ends, and this appears as an electrical phenomenon called thermoelectricity, that is, a thermoelectric phenomenon. As such, the thermoelectric phenomenon refers to a reversible and direct energy conversion between a temperature difference and an electric voltage. This thermoelectric phenomenon can be divided into thermoelectric power generation that produces electrical energy, and thermoelectric cooling/heating that causes a temperature difference between both ends by supplying electricity, and the material exhibiting such a thermoelectric phenomenon is a thermoelectric material.

열전재료는 발전과 냉각 과정에서 오염 물질의 배출이 없어 친환경적이고 지속가능한 장점이 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 소각로나 각종 산업 설비에서 발생하는 폐열이나 태양열, 지열, 하천수열과 같은 자연열에서도 직접 전력을 생산해내어 에너지 하베스팅(energy harvesting)을 할 수 있는 신재생 에너지 관련 분야에 대한 관심이 높다.Thermoelectric materials are eco-friendly and sustainable because they do not emit pollutants during power generation and cooling, so many studies are being conducted. In particular, there is a high interest in renewable energy-related fields that can generate electricity directly from waste heat generated from incinerators or various industrial facilities, or from natural heat such as solar heat, geothermal heat, and river water heat for energy harvesting.

열전재료의 성능을 측정하는 인자로는 하기 수학식 1과 같이 정의되는 무차원 성능지수(Figure of Merit) ZT를 사용한다.As a factor for measuring the performance of the thermoelectric material, a dimensionless figure of merit ZT defined as in Equation 1 below is used.

<수학식 1> <Equation 1>

Figure 112020102328439-pat00001
Figure 112020102328439-pat00001

(식 중, S는 제벡계수, σ는 전기전도도, T는 절대온도, κ는 열전도도이다.)(Where S is the Seebeck coefficient, σ is electrical conductivity, T is absolute temperature, and κ is thermal conductivity.)

ZT를 증가시키기 위해서는 제벡계수와 전기전도도 즉, 파워팩터(S2σ)는 증가시키고 열전도도는 감소시켜야 한다. 대다수의 연구에서는 ZT를 증가시키기 위한 전략으로 제벡계수를 증가시키려는 노력을 이어오고 있다. 그동안 제벡계수를 증가시키기 위해 특정 불순물을 도핑하거나 재료의 결정구조 상변화 또는 조성 변화를 통한 전하 농도 조절에 대한 많은 연구들이 있어 왔지만, 더욱 개선이 필요하다. In order to increase ZT, the Seebeck coefficient and electrical conductivity, that is, the power factor (S 2 σ), should be increased and the thermal conductivity should be decreased. Most of the studies have been trying to increase the Seebeck coefficient as a strategy to increase the ZT. In the meantime, there have been many studies on charge concentration control through doping a specific impurity or changing the crystal structure or composition of a material to increase the Seebeck coefficient, but further improvement is needed.

도 1은 불순물 도핑 농도(Doping concentration)에 따라 ZT를 결정하는 변수간의 상관관계를 나타내는 그래프이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 제백계수는 ZT의 또 다른 요소인 전기전도도 및 열전도도와 트레이드오프(trade off) 관계를 가지고 있기 때문에, 제백계수를 증가시키기 위해 도입한 요소가 전기전도도와 열전도도를 변화시켜 재료의 열전성능을 떨어뜨리지 않으면서 제백계수만을 독립적으로 증가시키는 것은 쉽지 않다. 1 is a graph showing a correlation between variables determining ZT according to an impurity doping concentration. As shown in Fig. 1, since the Seebeck coefficient has a trade-off relationship with electrical conductivity and thermal conductivity, which are other elements of ZT, the factor introduced to increase the Seebeck coefficient is the electrical conductivity and thermal conductivity. It is not easy to independently increase only the Seebeck coefficient without degrading the thermoelectric performance of the material by changing it.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 제벡계수가 증가된 열전재료 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. The present invention was devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric material having an increased Seebeck coefficient and a method for manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.Other objects and advantages of the present invention may be understood by the following description, and will become more clearly understood by the examples of the present invention. It will also be readily apparent that the objects and advantages of the present invention may be realized by means of the instrumentalities and combinations thereof indicated in the claims.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 열전재료는 ZnO로 이루어진 박막 또는 후막 또는 벌크재료로 된 ZnO 기재; 및 상기 ZnO 기재 위에 형성된 Ag 나노입자를 포함하고, 상기 Ag 나노입자가 빛을 흡수하여 플라즈모닉 공명에 의한 흡광 증폭을 일으켜 상기 ZnO의 제백계수를 증가시키는 것이다.In order to achieve the above object, the thermoelectric material according to the present invention includes a thin or thick film made of ZnO or a ZnO substrate made of a bulk material; and Ag nanoparticles formed on the ZnO substrate, wherein the Ag nanoparticles absorb light to cause absorption amplification by plasmonic resonance to increase the Seebeck coefficient of the ZnO.

본 발명에 있어서, 상기 열전재료는 425nm를 초과하는 파장의 빛에도 반응하여 전자가 여기됨으로써 자유전자의 농도가 증가하는 것이다.In the present invention, in the thermoelectric material, the concentration of free electrons increases by excitation of electrons in response to light having a wavelength exceeding 425 nm.

본 발명에 있어서, 상기 열전재료는 태양광에서 작동을 하거나 빛을 비추어주는 수단을 더 구비하여 사용하는 것이다.In the present invention, the thermoelectric material is used with a means for operating in sunlight or illuminating the light.

본 발명에 따른 열전재료 제조 방법은, ZnO로 이루어진 박막 또는 후막 또는 벌크재료로 된 ZnO 기재를 제조하는 단계; 및 상기 ZnO 기재 위에 Ag 나노입자를 형성하는 단계를 포함한다.A method for manufacturing a thermoelectric material according to the present invention comprises the steps of: preparing a ZnO substrate made of a thin or thick film or bulk material made of ZnO; and forming Ag nanoparticles on the ZnO substrate.

본 발명에 있어서, 상기 ZnO 기재를 제조하는 단계는, Zn 소스 용액을 제작하는 단계; 상기 Zn 소스 용액을 도포하여 ZnO 박막을 형성하는 단계; 및 상기 ZnO 박막을 열처리하는 단계를 포함한다.In the present invention, the manufacturing of the ZnO substrate comprises: preparing a Zn source solution; forming a ZnO thin film by applying the Zn source solution; and heat-treating the ZnO thin film.

본 발명에 있어서, 상기 Zn 소스 용액은 메톡시에탄올(2-Methoxyethalnol)에 에탄올 아민(Ethanolamine)을 섞은 용액에, 아세트산 아연(Zinc-acetate)을 교반해 제작하는 것일 수 있다. In the present invention, the Zn source solution may be prepared by stirring zinc acetate (Zinc-acetate) in a solution of methoxyethanol (2-Methoxyethalnol) mixed with ethanolamine (Ethanolamine).

본 발명에 있어서, 상기 Ag 나노입자를 형성하는 단계는, 열 증발기(thermal evaporator)에서 Ag를 증착해 Ag 나노입자를 형성하는 것일 수 있다.In the present invention, the forming of the Ag nanoparticles may include depositing Ag in a thermal evaporator to form Ag nanoparticles.

본 발명에 따르면, 은(Ag) 나노입자를 산화아연(ZnO) 표면에 증착하여 표면 플라즈모닉 공명 현상을 통한 흡광 증폭과 그로 인한 광학적 게이팅을 유도함으로써 전하의 농도 및 이동도를 조절한다. 이로써 재료의 전기전도도를 증가시키면서도 제벡계수를 증가시킬 수 있으며, 제벡계수가 증가된 ZnO를 이용해 열전소자 및 광센서, 광-열 기전(photo-thermo voltaic) 분야에 광범위하게 적용할 수 있다. According to the present invention, silver (Ag) nanoparticles are deposited on the surface of zinc oxide (ZnO) to induce absorption amplification through surface plasmonic resonance and optical gating thereby to control the concentration and mobility of charges. Thus, it is possible to increase the Seebeck coefficient while increasing the electrical conductivity of the material, and by using ZnO with the increased Seebeck coefficient, it can be widely applied to thermoelectric devices, optical sensors, and photo-thermo voltaic fields.

본 발명은 Ag 나노입자의 크기, 형태, 혹은 증착 두께에 따라 전하 농도 및 스캐터링 센터 농도를 제어하여 ZnO의 제벡계수를 보다 효과적으로 튜닝(tuning)할 수 있다.The present invention can more effectively tune the Seebeck coefficient of ZnO by controlling the charge concentration and the scattering center concentration according to the size, shape, or deposition thickness of Ag nanoparticles.

본 발명에 따르면, ZnO의 제벡계수를 증가시켜 열전 효율을 증가시킬 수 있다. 본 발명에 따른 표면 플라즈모닉 게이팅을 통한 열전재료의 제벡계수 향상 및 최적화를 위한 제조 방법은 다양한 열전재료 이용 분야에 활용될 수 있다.According to the present invention, it is possible to increase the thermoelectric efficiency by increasing the Seebeck coefficient of ZnO. The manufacturing method for improving and optimizing the Seebeck coefficient of a thermoelectric material through surface plasmonic gating according to the present invention can be utilized in various fields of using thermoelectric materials.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 불순물 도핑 농도(Doping concentration)에 따라 ZT를 결정하는 변수간의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 열전재료 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 열전재료의 개략도이다.
도 4는 ZnO 위에 증착된 Ag 나노입자와 플라즈모닉 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 실험에 사용한 구리블록 스테이지의 개략도이다.
도 6은 증가된 Ag 나노입자에 의한 ZnO의 흡광도와 Ag 나노입자의 흡광도 그래프이다.
도 7은 ZnO 위에 증착된 Ag 나노입자의 SEM 이미지이다.
도 8은 실험예들에서 빛을 쪼여주는 시간에 따른 제벡계수의 변화 그래프이다.
The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the detailed description of the present invention to be described later, so that the present invention is a matter described in those drawings should not be construed as being limited only to
1 is a graph showing a correlation between variables determining ZT according to an impurity doping concentration.
2 is a flowchart schematically illustrating a method for manufacturing a thermoelectric material according to the present invention.
3 is a schematic diagram of a thermoelectric material according to the present invention.
4 is a view for explaining the plasmonic effect and Ag nanoparticles deposited on ZnO.
5 is a schematic diagram of a copper block stage used in the experiment.
6 is a graph showing the absorbance of ZnO and the absorbance of Ag nanoparticles by increased Ag nanoparticles.
7 is an SEM image of Ag nanoparticles deposited on ZnO.
8 is a graph showing a change in the Seebeck coefficient according to time when light is irradiated in the experimental examples.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to conventional or dictionary meanings, and the inventor should properly understand the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Accordingly, the configuration shown in the embodiments and drawings described in the present specification is only the most preferred embodiment of the present invention and does not represent all of the technical spirit of the present invention, so at the time of the present application, various It should be understood that there may be equivalents and variations.

최근 ZnO에 대한 광학적 전기적 특성연구가 활발하게 진행되고 있다. ZnO은 세라믹 물질이자 넓은 다이랙트 밴드갭을 가진 반도체 물질로서 투명함에도 전도성이 존재한다. 무엇보다도 폭넓게 결함화학 응용이 가능하다는 장점 때문에 바리스터, 태양전지 투명전극, 센서, 레이저 등의 소자에서 널리 사용되고 있는 물질이다. 활발한 연구들 중 대부분의 연구가 ZnO 박막 형성 방법에 따른 전기적, 광학적 특성 파악에 치중되어 있다. 그렇지만 ZnO는 열전특성이 뚜렷하게 관찰되는 물질로, 온도 차이를 만들었을 때 열전전압을 관찰할 수 있는 물질이다. 본 발명자들은 ZnO의 열전특성에 주목하고, ZnO 박막의 전하운반자의 거동을 확인할 수 있는 플렛폼을 개발하여, ZnO를 포함하는 열전재료의 제백계수를 증가시키는 방법을 연구해 본 발명에 이르게 되었다. Recently, the study of optical and electrical properties of ZnO is being actively conducted. ZnO is a ceramic material and a semiconductor material with a wide direct bandgap. Although it is transparent, conductivity exists. Above all, it is a material widely used in devices such as varistors, solar cell transparent electrodes, sensors, and lasers because of the advantage that it can be applied to a wide range of defect chemistry. Most of the active studies are focused on understanding the electrical and optical properties according to the ZnO thin film formation method. However, ZnO is a material in which thermoelectric properties are clearly observed, and a thermoelectric voltage can be observed when a temperature difference is made. The present inventors paid attention to the thermoelectric properties of ZnO, developed a platform that can confirm the behavior of charge carriers in a ZnO thin film, and studied a method for increasing the Seebeck coefficient of a thermoelectric material containing ZnO, leading to the present invention.

앞서 언급한 바와 같이 기존 열전재료 분야에서 제벡계수를 증가시키기 위한 기술들은 특정 불순물의 도핑 및 재료의 결정구조 상변화, 조성변화를 통한 전하 농도의 조절이 대부분이다. 특히 ZnO의 경우 Li, Mg 등의 도핑을 통한 연구가 많이 진행되었으며, 최근에는 빛을 통한 포토 제벡(photo seebeck) 효과에 대한 보고가 있었다. 그러나 이러한 접근법의 경우 제벡계수의 변화가 전하 농도뿐만이 아니라 전하 스캐터링 센터에도 밀접하게 연관이 있으므로 제벡계수를 튜닝하는 것은 굉장히 복잡한 것으로 여겨져 왔었다. 본 발명은 이러한 멀티스텝을 Ag 나노입자의 형성이라는 단순 공정을 통한 광학적 게이팅으로써 해결하는 것으로서, 간단할 뿐 아니라, Ag 나노입자의 크기, 형태, 혹은 증착 두께에 따라 전하 농도 및 스캐터링 센터 농도를 제어하여 제벡계수를 보다 효과적으로 튜닝할 수 있다는 장점이 있다. As mentioned above, most of the techniques for increasing the Seebeck coefficient in the conventional thermoelectric material field are control of the charge concentration through doping of a specific impurity, a phase change of a material's crystal structure, and a composition change. In particular, in the case of ZnO, many studies have been conducted through doping with Li and Mg, and recently, there has been a report on the photo seebeck effect through light. However, in this approach, tuning the Seebeck coefficient has been considered to be very complicated because the change in the Seebeck coefficient is closely related not only to the charge concentration but also to the charge scattering center. The present invention solves this multi-step by optical gating through a simple process of forming Ag nanoparticles, and it is not only simple, but also the charge concentration and the scattering center concentration according to the size, shape, or deposition thickness of the Ag nanoparticles. It has the advantage of being able to more effectively tune the Seebeck coefficient by controlling it.

도 2는 본 발명에 따른 열전재료 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 2 is a flowchart schematically illustrating a method for manufacturing a thermoelectric material according to the present invention.

먼저 열전재료의 기본이 되는 ZnO로 이루어진 박막 또는 후막 또는 벌크재료로 된 ZnO 기재를 제조한다(단계 S10). 이러한 ZnO 기재는 소결법, 용액을 이용한 도포법, 또는 기상증착법, 또는 스퍼터링법 등 박막 형성법에 의할 수 있다. First, a thin film or thick film made of ZnO, which is the basis of the thermoelectric material, or a ZnO substrate made of a bulk material is prepared (step S10). The ZnO substrate may be formed by a thin film formation method such as a sintering method, a solution coating method, a vapor deposition method, or a sputtering method.

다음으로, ZnO 기재 위에 Ag 나노입자를 형성한다(단계 S20). Ag 나노입자를 형성하는 방법은 기상증착법, 또는 Ag 나노입자 용액을 이용한 도포법 등에 의할 수 있다. Ag 나노입자는 ZnO 기재 표면 위를 전부 혹은 일부 피복할 수 있다. Ag 나노입자의 크기, 형태, 혹은 증착 두께에 따라 전하 농도 및 스캐터링 센터 농도를 제어하여 ZnO 기재의 제벡계수를 보다 효과적으로 튜닝할 수 있다. Next, Ag nanoparticles are formed on the ZnO substrate (step S20). A method of forming Ag nanoparticles may be a vapor deposition method or a coating method using a solution of Ag nanoparticles. Ag nanoparticles may completely or partially cover the surface of the ZnO substrate. The Seebeck coefficient of the ZnO substrate can be more effectively tuned by controlling the charge concentration and the scattering center concentration according to the size, shape, or deposition thickness of Ag nanoparticles.

이러한 간단한 2 단계 방법에 의해, 본 발명에 따른 열전재료는 도 3과 같은 구조를 가지게 된다. 본 발명에 따른 열전재료(100)는 ZnO 기재(110)와 Ag 나노입자(120)가 복합화된 구조로 얻어지며, 특히 ZnO 기재(110)의 표면에 Ag 나노입자(120)가 형성된 구조를 가진다. 이러한 본 발명에 따르면, 열전재료(100)의 기본이 되는 ZnO의 제벡계수를 증가시켜 열전 효율을 증가시킬 수 있다. By such a simple two-step method, the thermoelectric material according to the present invention has a structure as shown in FIG. 3 . The thermoelectric material 100 according to the present invention has a structure in which a ZnO substrate 110 and Ag nanoparticles 120 are complexed, and in particular, has a structure in which Ag nanoparticles 120 are formed on the surface of the ZnO substrate 110 . . According to the present invention, it is possible to increase the thermoelectric efficiency by increasing the Seebeck coefficient of ZnO, which is the basis of the thermoelectric material 100 .

도 4는 유리 기판(105) 위에 형성한 박막형 ZnO 기재(110) 위에 증착된 Ag 나노입자(120)와 플라즈모닉 효과를 설명하기 위한 도면이다. FIG. 4 is a view for explaining the plasmonic effect and Ag nanoparticles 120 deposited on the thin-film ZnO substrate 110 formed on the glass substrate 105 .

표면 플라즈모닉 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)이란 자유전자를 많이 가지고 있는 충분히 작은(나노 스케일)의 도체(금속)가 도체가 가지고 있는 유전율과 다른 유전체와 맞닿아 있을 때, 표면에 존재하는 전자가 특정파장의 빛이 가지고 있는 전자기장과 공명해 도체 표면의 자유전자가 집단적으로 진동하게 되고, 그로 인하여 국소적으로 강한 전기장(electric field)이 형성되는 현상이다. 플라즈모닉 공명 현상을 통해 특정 파장의 빛의 전기장을 증폭시킨다. 결국 표면에 발생된 국부적인 전기장을 통해, 유전체 표면에 닿는 특정파장의 빛의 강도를 강하게 하는 효과를 보인다. 유전체 위에 형성된 도체의 종류와 크기, 모양, 배열에 따라 반응하는 빛의 파장대를 조절할 수 있다.Surface Plasmon Resonance (SPR) is when a sufficiently small (nano-scale) conductor (metal) with a large number of free electrons is in contact with a dielectric whose dielectric constant is different from that of the conductor, the electrons present on the surface It is a phenomenon in which the free electrons on the surface of the conductor collectively vibrate by resonating with the electromagnetic field of light of a specific wavelength, thereby forming a local strong electric field. It amplifies the electric field of light of a specific wavelength through plasmonic resonance. Finally, through the local electric field generated on the surface, it shows the effect of strengthening the intensity of light of a specific wavelength that hits the dielectric surface. Depending on the type, size, shape, and arrangement of the conductor formed on the dielectric, the wavelength band of the reaction light can be adjusted.

본 발명에서는 충분히 작은(나노 스케일)의 도체(금속)로서 Ag 나노입자(120)를 이용한다. 그리고, 도체가 가지고 있는 유전율과 다른 유전체로서 ZnO 기재(110)를 이용한다. 도 4에 도시한 바와 같이, Ag 나노입자(120)가 ZnO 기재(110)와 맞닿아 있으면, 표면에 존재하는 전자가 특정파장의 빛(도 4에서 Light)이 가지고 있는 전자기장과 공명해 Ag 나노입자(120) 표면의 자유전자가 집단적으로 진동하게 되고, 그로 인하여 국소적으로 강한 전기장이 형성된다. 플라즈모닉 공명 현상을 통해 Ag 나노입자(120)는 플라즈모닉 공명 주파수에 해당하는 가시광 영역의 파장의 빛의 전기장을 증폭시킨다. 그 결과, ZnO 기재(110) 표면에 닿는 가시광 영역의 파장의 빛의 강도를 강하게 하는 효과를 보인다.In the present invention, Ag nanoparticles 120 are used as a sufficiently small (nano-scale) conductor (metal). In addition, the ZnO substrate 110 is used as a dielectric different from the dielectric constant of the conductor. As shown in FIG. 4 , when the Ag nanoparticles 120 are in contact with the ZnO substrate 110 , electrons present on the surface resonate with the electromagnetic field of the light of a specific wavelength (Light in FIG. 4 ), so that the Ag nanoparticles The free electrons on the surface of the particles 120 collectively vibrate, thereby forming a locally strong electric field. Through the plasmonic resonance phenomenon, the Ag nanoparticles 120 amplify the electric field of light having a wavelength in the visible light region corresponding to the plasmonic resonance frequency. As a result, the ZnO substrate 110 has an effect of strengthening the intensity of the light having a wavelength in the visible region that hits the surface.

UV 파장 영역을 흡수하는 ZnO의 흡광영역은 부착된 Ag 나노입자(120)에 의해 가시광 영역으로 확대되며 이를 통해 더 많은 전자들을 여기시킬 수 있다. 도 4에 보여지는 것과 같이 플라즈모닉 decay를 통한 Ag 나노입자(120)에서의 ZnO 기재(110)로 전달될 수 있는 높은 에너지를 가진 Hot-Electron 형성을 통한 전하 전달은 본 발명에서 제안하는 ZnO 내에서의 전하 농도 광학적 게이팅의 핵심적 개념이다. ZnO 내에서의 UV 흡광과 Hot-Electron 형성을 통한 전하전달에 의한 전하의 농도 증가와 도 6에 표시된 ZnO와 Ag 나노입자 사이에 존재하는 스캐터링 센터에서의 전하 트랩에 의한 전하 농도 감소의 튜닝을 통해 최대화된 제벡 계수를 실현하고자 한다. ZnO/Ag 계면에 존재하는 결합의 불연속성에 의한 구조적 결함은 전하 농도를 트랩하여 감소시키는 역할을 한다. The absorption region of ZnO, which absorbs the UV wavelength region, is expanded to the visible region by the attached Ag nanoparticles 120, and through this, more electrons can be excited. As shown in FIG. 4, charge transfer through the formation of a hot-electron with high energy that can be transferred from the Ag nanoparticles 120 to the ZnO substrate 110 through plasmonic decay is in the ZnO proposed in the present invention. The charge concentration in the optical gating is a key concept. Tuning of charge concentration increase by charge transfer through UV absorption and hot-electron formation in ZnO and charge concentration decrease by charge trap in the scattering center present between ZnO and Ag nanoparticles shown in FIG. We want to realize the maximized Seebeck coefficient through Structural defects due to discontinuity of bonding at the ZnO/Ag interface serve to trap and reduce the charge concentration.

이와 같이, 표면 플라즈모닉 공명 현상을 통해 흡광 증폭을 일으키고, 그로 인한 광학적 게이팅 및 전하트랩 사이트를 유도함으로써 ZnO 기재(110)를 포함하는 열전재료(100)의 전하의 농도 및 이동도를 조절할 수가 있다. 이로써 전체 열전재료(100)의 전기전도도를 조절하면서 제벡계수를 증가시킬 수 있으며, 제벡계수가 증가된 열전재료(100)를 이용해 열전소자 및 광센서, 광-열 기전 분야에 광범위하게 적용할 수 있다. In this way, the concentration and mobility of the charge of the thermoelectric material 100 including the ZnO substrate 110 can be controlled by causing absorption amplification through the surface plasmonic resonance phenomenon, and thereby inducing optical gating and charge trap sites. . Accordingly, it is possible to increase the Seebeck coefficient while controlling the electrical conductivity of the entire thermoelectric material 100, and by using the thermoelectric material 100 with the increased Seebeck coefficient, it can be widely applied to thermoelectric devices, optical sensors, and photo-thermal mechanisms. there is.

본 발명은 재료의 화학적 도핑이나 소자의 집적화같은 비용이 발생하는 효율 개선 방식이 아니고, 재료 본연의 성질을 이용한 제백효과의 효율 증가 방식이다. ZnO는 특정 파장의 빛을 받으면 전자가 여기하여 자유전자의 농도가 많아지는 효과를 기대할 수 있다. 이러한 효과를 이용하여 광학적 전자주입을 적용할 수 있다. 그리하여 발생되는 전하 이동특성 개선을 통해 열전효율의 증가를 달성할 수 있다. 또한 이러한 효과를 증폭시키기 위하여 ZnO 기재(110) 표면에 Ag 나노입자(120)를 형성하면 표면 플라즈모닉 효과를 통해 광학적 전자주입의 효과가 증대될 수 있다.The present invention is not an efficiency improvement method that incurs costs such as chemical doping of a material or device integration, but a method of increasing the efficiency of the Seebeck effect using the intrinsic properties of the material. When ZnO receives light of a specific wavelength, electrons are excited and the effect of increasing the concentration of free electrons can be expected. Using this effect, optical electron injection can be applied. Thus, it is possible to achieve an increase in thermoelectric efficiency through the improvement of the generated charge transfer characteristics. In addition, when Ag nanoparticles 120 are formed on the surface of the ZnO substrate 110 to amplify this effect, the effect of optical electron injection can be increased through the surface plasmonic effect.

열전재료는 제조 방법에 따라 열전 성능에 상당한 차이가 있을 수 있는데, 본 발명에 따른 열전재료는 상술한 열전재료 제조 방법에 의해 제조된 것으로, 제벡계수 증가에 의해 큰 ZT를 확보할 수 있다.The thermoelectric material may have a significant difference in thermoelectric performance depending on the manufacturing method. The thermoelectric material according to the present invention is manufactured by the above-described method for manufacturing the thermoelectric material, and a large ZT can be secured by increasing the Seebeck coefficient.

본 발명에 따른 열전재료는 제백계수 및 전기전도도가 크고, 열전도도가 낮아 열전 변환 성능이 우수하다. 따라서, 본 발명에 따른 열전재료는, 종래의 열전재료를 대체하거나 종래의 열전재료에 더하여 열전소자에 유용하게 이용될 수 있다. 상기 열전재료를 포함하는 열전소자, 열전모듈 및 열전장치는 예를 들어 열전냉각시스템, 열전발전시스템일 수 있고, 상기 열전냉각시스템은, 무냉매 냉장고, 에어컨 등의 범용 냉각기기, 마이크로 냉각시스템, 공조기, 폐열 발전 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 열전냉각시스템의 구성 및 제조 방법에 대해서는 당업계에 공지되어 있는 바 본 명세서에서는 구체적인 기재를 생략한다. The thermoelectric material according to the present invention has a large Seebeck coefficient and electrical conductivity, and has excellent thermoelectric conversion performance due to low thermal conductivity. Therefore, the thermoelectric material according to the present invention can be effectively used in a thermoelectric device in addition to or replacing the conventional thermoelectric material. The thermoelectric element, thermoelectric module, and thermoelectric device including the thermoelectric material may be, for example, a thermoelectric cooling system or a thermoelectric power generation system, and the thermoelectric cooling system may include a general-purpose cooling device such as a refrigerant-free refrigerator and air conditioner, a micro cooling system, An air conditioner, a waste heat power generation system, and the like may be mentioned, but the present invention is not limited thereto. The configuration and manufacturing method of the thermoelectric cooling system are known in the art, and detailed description thereof will be omitted herein.

이하에서는 본 발명 실험예를 통하여 본 발명의 효과를 상세히 설명하기로 한다. 아래에서는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. Hereinafter, the effects of the present invention will be described in detail through the experimental examples of the present invention. Below, examples and comparative examples will be described in detail to explain the present invention in more detail. However, the embodiment according to the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiment described in detail below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art.

(실험예)(Experimental example)

별다른 재료의 변화 없이 단지 빛을 조사하는 간단한 방식으로써 열전효율의 증가를 확인하였다. 또한 본 발명에서 제시하는 바와 같이 Ag 나노입자를 증착하였을 때 그러한 효과가 증폭되는 것을 확인하였으며 더 넓은 파장에서 그러한 제백효과 효율증가를 하는 것을 확인하였다. 본 발명 실시예에 따른 열전재료 샘플은 아래와 같은 방법으로 제조하였다. The increase in thermoelectric efficiency was confirmed by a simple method of irradiating light without any material change. In addition, it was confirmed that such an effect was amplified when Ag nanoparticles were deposited as presented in the present invention, and it was confirmed that the Seebeck effect efficiency increased at a wider wavelength. A thermoelectric material sample according to an embodiment of the present invention was prepared in the following manner.

1) Zn 소스 용액 제작 1) Zn source solution preparation

용매로서 메톡시에탄올(2-Methoxyethalnol)에 안정제인 에탄올 아민(Ethanolamine)을 1.6M 섞은 용액에, Zn 전구체로서 아세트산 아연(Zinc-acetate)을 1.6M 농도로 75℃에 교반기 위에서 2시간 동안 교반해 Zn 소스 용액을 제작하였다. 제작한 Zn 소스 용액은 48시간동안 실온에서 숙성해 준비하였다. In a solution of methoxyethanol (2-Methoxyethalnol) as a solvent and 1.6 M of ethanolamine as a stabilizer, 1.6 M of zinc-acetate as a Zn precursor was stirred at 75 ° C. for 2 hours on a stirrer. A Zn source solution was prepared. The prepared Zn source solution was prepared by aging at room temperature for 48 hours.

2) 1)에서 제작하여 준비해 둔 Zn 소스 용액을, 기공 크기(pore size) 0.2 um인 PTFE(polytetrafluoroethylene) 실린지 필터(syringe filter)를 사용하여 필터링한 다음, 세척한 유리기판 위에 600RPM 3초, 2500RPM 60초로 2-단계 스핀 코팅 공정을 진행하였다. 이렇게 용액을 도포한 방법으로 형성한 박막을 100℃히터에서 10분 드라이 공정을 거친 후, 250℃히터 위에서 구워 고밀도 100nm 두께의 ZnO 박막을 형성하였다.2) Filter the Zn source solution prepared in 1) using a PTFE (polytetrafluoroethylene) syringe filter with a pore size of 0.2 um, and then filter the Zn source solution on the cleaned glass substrate for 3 seconds at 600 RPM, A two-step spin coating process was performed at 2500 RPM for 60 seconds. The thin film formed by this method of applying the solution was dried on a 100°C heater for 10 minutes, and then baked on a 250°C heater to form a high-density, 100nm-thick ZnO thin film.

3) RTA(Rapid Thermal Annealing) 공정3) RTA (Rapid Thermal Annealing) process

2)에서 형성한 ZnO 박막의 결정성과 전기적 특성 향상을 위해 500℃의 산소분위기에서 1시간 동안 RTA 공정을 진행하였다. RTA 제어 시스템은 PID 출력 제어로, 할로겐램프의 출력을 조절하여 빠르게 승온시키도록 했다(PID는 각각 출력제어에 대한 함수 값). 승온은 순간적으로 대략 초당 10℃온도로 진행되었다. RTA 공정은 ZnO의 성능 향상을 위한 공정 과정의 하나로서 생략 가능하다. In order to improve the crystallinity and electrical properties of the ZnO thin film formed in 2), the RTA process was performed in an oxygen atmosphere at 500 °C for 1 hour. The RTA control system is a PID output control, which controls the output of the halogen lamp to increase the temperature quickly (PID is a function value for each output control). The temperature increase was instantaneously performed at a temperature of about 10° C. per second. The RTA process can be omitted as one of the process steps for improving the performance of ZnO.

4) Ag 나노입자 증착4) Ag nanoparticles deposition

위에서 제작한 RTA ZnO 박막을 열 증발기(thermal evaporator)에 로딩하고, Ag 2Å/sec의 속도로 3nm 증착하여 Ag 나노입자를 ZnO 박막 위에 증착시켰다. The RTA ZnO thin film prepared above was loaded on a thermal evaporator, and 3 nm of Ag was deposited at a rate of 2 Å/sec to deposit Ag nanoparticles on the ZnO thin film.

비교를 위하여, Ag 나노입자가 증착되지 않은, ZnO 박막으로만 이루어진 비교예 샘플도 제조하였다. For comparison, a comparative example sample consisting only of a ZnO thin film in which Ag nanoparticles were not deposited was also prepared.

도 5는 실험에 사용한 구리블록 스테이지의 개략도이다. 이러한 구리블록 스테이지(200)를 이용해서 제백계수를 측정하였다. 5 is a schematic diagram of a copper block stage used in the experiment. The Seebeck coefficient was measured using the copper block stage 200 .

구리블록 스테이지(200)는 한 쌍의 구리블록(210, 220)과 멀티미터(230)와 클램프(240)를 포함한다. 구리블록(210, 220) 위에 측정하려는 샘플(250)을 올려 놓는다. 샘플(250)은 앞서 제조한 것으로, 유리기판(105')에 ZnO 박막(110')을 포함하는 것이다. 특히 본 발명에 따른 샘플은 Ag 나노입자를 더 포함한다. 샘플(250) 상단에는 1mm 간격으로 이격된 Al 전극(140)을 한 쌍 형성하였다. The copper block stage 200 includes a pair of copper blocks 210 and 220 , a multimeter 230 , and a clamp 240 . A sample 250 to be measured is placed on the copper blocks 210 and 220 . The sample 250 is prepared above, and includes a ZnO thin film 110 ′ on a glass substrate 105 ′. In particular, the sample according to the invention further comprises Ag nanoparticles. A pair of Al electrodes 140 spaced apart at intervals of 1 mm were formed on the top of the sample 250 .

구리블록(210, 220) 양단 앞부분에는 클램프(240)가 부착 되어 있다. 이러한 클램프(240)를 이용하여 구리블록(210, 220)과 샘플(250)간 물리적인 컨택을 향상시킬 수 있다. Clamps 240 are attached to the front portions of both ends of the copper blocks 210 and 220 . Physical contact between the copper blocks 210 and 220 and the sample 250 may be improved by using the clamp 240 .

한단의 구리블록(210)의 온도를 카트리지 히터(미도시)를 이용해서 올려, 구리블록(210, 220) 양단간에 온도구배를 발생시킨다. 도 5에서 가열되는 구리블록(210)은 'HOT', 그렇지 않은 구리블록(220)은 'COLD'이다. 구리블록(210, 220)은 우수한 열전도도를 가지고 있다. 그러므로 한단의 구리블록(210)은 히터의 가열이 샘플(250)에게 잘 전달되도록 하며 샘플(250)의 고온단을 형성할 수 있게 한다. 타단의 구리블록(220)은 방열체로서 샘플(250)에서 전달된 열이 잘 빠져나가 평형상태로 도달하기 용이하게 하며, 샘플(250)의 저온단을 형성할 수 있게 한다. 이로써 샘플(250) 양단간에 온도구배가 형성된다. 또한, 구리블록(210, 220)은 우수한 전기전도도를 가지고 있기 때문에 측정상에 오차를 최소화 할 수 있다.The temperature of one end of the copper block 210 is raised using a cartridge heater (not shown), thereby generating a temperature gradient between both ends of the copper blocks 210 and 220 . 5, the heated copper block 210 is 'HOT', and the copper block 220 that is not heated is 'COLD'. The copper blocks 210 and 220 have excellent thermal conductivity. Therefore, one end of the copper block 210 allows the heating of the heater to be transmitted to the sample 250 well and to form a high temperature end of the sample 250 . The copper block 220 at the other end is a heat dissipator, so that the heat transferred from the sample 250 easily escapes to reach an equilibrium state, and a low-temperature end of the sample 250 can be formed. As a result, a temperature gradient is formed between both ends of the sample 250 . In addition, since the copper blocks 210 and 220 have excellent electrical conductivity, errors in measurement can be minimized.

샘플(250) 양단에 온도구배를 발생시킨 다음, 멀티미터(230)를 이용해 각단의 온도, 양단에 발생한 온도구배와 전압을 동시에 측정하였다. 이 때, UV LED와 같은 광원(260)을 이용해 빛을 쪼여주면서 제벡계수의 변화를 측정하였다.After generating a temperature gradient at both ends of the sample 250 , the temperature of each end, and the temperature gradient and voltage generated at both ends were simultaneously measured using a multimeter 230 . At this time, a change in the Seebeck coefficient was measured while irradiating light using a light source 260 such as a UV LED.

도 6은 증가된 Ag 나노입자에 의한 ZnO의 흡광도와 Ag 나노입자의 흡광도 그래프이다. 가로축은 파장(wavelength, nm)이고 세로축은 흡수(absorbance, a.u.)이다. 6 is a graph showing the absorbance of ZnO and the absorbance of Ag nanoparticles by increased Ag nanoparticles. The horizontal axis is wavelength (nm) and the vertical axis is absorption (absorbance, a.u.).

비교예인 ZnO만으로 된 샘플의 흡광도(도 6에서 ZnO)를 보면 425nm 이상의 파장에 대해서는 거의 흡수가 되지 않는 것을 볼 수 있다. Ag 나노입자(도 6에서 Ag NP)의 흡광도에서 400nm와 500nm 사이에서 강한 피크가 관찰된다. 본 발명에 따라 Ag 나노입자와 복합화된 ZnO 샘플(도 6에서 ZnO + Ag NP)은, Ag 나노입자에 의한 효과로, 400nm 이상의 파장에 대해서도 높은 흡광도를 나타내고 있다. When looking at the absorbance (ZnO in FIG. 6) of the sample made of only ZnO, which is a comparative example, it can be seen that almost no absorption is achieved for a wavelength of 425 nm or more. A strong peak is observed between 400 nm and 500 nm in the absorbance of Ag nanoparticles (Ag NPs in FIG. 6). The ZnO sample (ZnO + Ag NP in FIG. 6) complexed with Ag nanoparticles according to the present invention exhibits high absorbance even at a wavelength of 400 nm or more due to the effect of Ag nanoparticles.

도 7은 본 발명에 따라 ZnO 박막 위에 증착된 Ag 나노입자의 SEM 이미지이다. ZnO 박막 위에 증착법으로 형성된 Ag 나노입자는 평균 18nm의 크기를 가지고 있었으며, 박막 전체 면적 중 35%를 차지하고 있는 것으로 확인되었다. 7 is a SEM image of Ag nanoparticles deposited on a ZnO thin film according to the present invention. Ag nanoparticles formed by deposition on the ZnO thin film had an average size of 18 nm, and it was confirmed that they occupied 35% of the total area of the thin film.

도 8은 실험예들에서 빛을 쪼여주는 시간에 따른 제벡계수의 변화 그래프이다. 8 is a graph showing a change in the Seebeck coefficient according to the time when light is irradiated in the experimental examples.

도 8의 (a)는 비교예에서 녹색광을 쪼일 때, (b)는 비교예에서 청색광을 쪼일 때, (c)는 실시예에서 녹색광을 쪼일 때, (d)는 실시예에서 청색광을 쪼일 때의 결과이다. 그래프에서 가로축은 시간(time, sec)이고 세로축은 제벡계수(

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)이다. 빛을 쪼이기 전, 쪼이는 동안, 빛을 끈 다음의 제벡계수가 시간순으로 나타나 있다. 8(a) is when green light is irradiated in Comparative Example, (b) is when blue light is irradiated in Comparative Example, (c) is when green light is irradiated in Example, (d) is when blue light is irradiated in Example is the result of In the graph, the horizontal axis is time (time, sec) and the vertical axis is the Seebeck coefficient (
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Figure 112020102328439-pat00003
)am. The Seebeck coefficients before, during, and after the light is turned off are shown in chronological order.

도 8을 참조하면, (c), (d)에서와 같이, ZnO 위에 Ag 나노입자 증착 후 녹색, 청색광을 비췄을 때 제벡계수 증가폭이 커진다.Referring to FIG. 8 , as in (c) and (d), the increase in Seebeck coefficient increases when green and blue light is irradiated after deposition of Ag nanoparticles on ZnO.

청색광(425nm)의 파장대의 빛에서는 Ag 나노입자의 유무에 관계없이 ZnO의 제백계수가 증가하는 결과를 확인할 수 있다. 하지만 녹색광(520nm)의 빛을 조사했을 때는 본 발명에서와 같이 Ag 나노입자가 증착된 실시예 샘플에서만 제백계수의 증가가 확인된다. In the light of the wavelength band of blue light (425 nm), it can be seen that the Seebeck coefficient of ZnO increases regardless of the presence or absence of Ag nanoparticles. However, when irradiated with green light (520 nm), an increase in the Seebeck coefficient is confirmed only in the sample sample in which Ag nanoparticles are deposited as in the present invention.

Ag 나노입자가 증착되지 않은 비교예 ZnO 샘플의 경우 520nm 파장에서는 빛에 반응하지 않은 반면, Ag 나노입자가 증착된 실시예 ZnO의 샘플의 경우, 제백계수가 최대 0.2

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증가하였다. 또한 Ag 나노입자가 증착되지 않은 비교예 ZnO 샘플의 경우 425nm 파장의 빛에서 최대 0.3
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의 제백계수의 증가가 확인되었지만 빛에 대한 반응의 속도가 매우 느리게 일어났고 빛을 비추지 않은 상태와 차이가 명확하게 나타나지 않았다. 하지만, Ag 나노입자가 증착된 실시예 ZnO 샘플의 경우 0.3
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의 제백계수의 증가가 확인되었고 빛을 비추지 않은 상태와 차이가 명확하게 나타난다. 이러한 부분에서 빛에 의한 효과가 Ag 나노입자가 증착된 샘플의 경우 플라즈모닉 공명에 의한 흡광 증폭으로 인해 더 명확하게 나타나고 제백효과 효율이 더 증가되었다고 볼 수 있다.The comparative example ZnO sample in which Ag nanoparticles were not deposited did not respond to light at a wavelength of 520 nm, whereas, in the case of the Example ZnO sample in which Ag nanoparticles were deposited, the Seebeck coefficient was at most 0.2.
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increased. In addition, in the case of the comparative ZnO sample in which Ag nanoparticles were not deposited, a maximum of 0.3 in light of a wavelength of 425 nm
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Although the increase of the Seebeck coefficient was confirmed, the rate of reaction to light was very slow, and the difference with the state without light was not clearly seen. However, for the example ZnO sample on which Ag nanoparticles were deposited, 0.3
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Figure 112020102328439-pat00009
An increase in the Seebeck coefficient of . In this part, it can be seen that the effect of light appeared more clearly due to absorption amplification by plasmonic resonance in the case of the sample on which Ag nanoparticles were deposited, and the Seebeck effect efficiency was further increased.

이와 같이, 425nm 미만의 영역에서만 빛에 의한 제백계수 증가를 보였던 ZnO가 Ag 나노입자로 인해 더 넓은 520nm 이상 파장대에서 제백계수가 증가한 것이다. 이는 명백히 Ag 나노입자에 의한 플라즈모닉 공명현상에 의한 가시광 영역의 빛에 대한 흡광 영역 확대와 흡광 증폭에 의한 결과이다. As such, ZnO, which showed an increase in the Seebeck coefficient due to light only in the region of less than 425 nm, increased in the wider wavelength band of 520 nm or more due to Ag nanoparticles. This is clearly the result of the absorption area expansion and absorption amplification of the visible light by plasmonic resonance by Ag nanoparticles.

빛을 비추는 순간에 빛에 의한 전하주입으로 제백계수가 증가된다. 가시광 영역의 빛을 통한 제백계수의 증가의 유지는 초단위의 짧은 시간단위 동안 지속된다. 높아진 제벡계수를 실제 열전소자로 이용하려면 빛을 비추어줄 수 있도록 태양광에서 작동을 하게 하거나 빛을 비추어주는 수단을 더 구비하여 사용하는 것이 바람직하다. The Seebeck coefficient is increased due to charge injection by light at the moment of illuminating the light. The maintenance of the increase of the Seebeck coefficient through the light in the visible region lasts for a short time unit of seconds. In order to use the increased Seebeck coefficient as an actual thermoelectric element, it is preferable to operate in sunlight to illuminate the light or to further provide a means for illuminating the light.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described with reference to limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and the following by those skilled in the art to which the present invention pertains. It goes without saying that various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.

100 : 열전재료
110 : ZnO 기재
120 : Ag 나노입자
100: thermoelectric material
110: ZnO base
120: Ag nanoparticles

Claims (7)

ZnO로 이루어진 박막 또는 후막 또는 벌크재료로 된 ZnO 기재; 및
상기 ZnO 기재 표면 위에 형성된 Ag 나노입자를 포함하고,
상기 ZnO 기재와 상기 Ag 나노입자의 계면에 존재하는 결합의 불연속성에 의해 전하 트랩이 존재하며,
상기 Ag 나노입자가 빛을 흡수하여 표면 플라즈모닉 공명에 의한 흡광 증폭을 일으켜 상기 ZnO의 제백계수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 열전재료.
ZnO substrate made of thin or thick film or bulk material made of ZnO; and
Ag nanoparticles formed on the surface of the ZnO substrate,
A charge trap exists due to the discontinuity of the bond present at the interface between the ZnO substrate and the Ag nanoparticles,
Thermoelectric material, characterized in that the Ag nanoparticles absorb light to cause absorption amplification by surface plasmonic resonance to increase the Seebeck coefficient of the ZnO.
제1항에 있어서, 상기 열전재료는 425nm를 초과하는 파장의 빛에도 반응하여 전자가 여기됨으로써 자유전자의 농도가 증가하는 것을 특징으로 하는 열전재료.The thermoelectric material according to claim 1, wherein the concentration of free electrons increases by excitation of electrons in response to light having a wavelength exceeding 425 nm. 제1항에 있어서, 상기 열전재료는 태양광에서 작동을 하거나 빛을 비추어주는 수단을 더 구비하여 사용하는 것을 특징으로 하는 열전재료.The thermoelectric material according to claim 1, wherein the thermoelectric material operates in sunlight or further includes a means for illuminating the thermoelectric material. 제1항 기재의 열전재료 제조 방법으로서,
ZnO로 이루어진 박막 또는 후막 또는 벌크재료로 된 ZnO 기재를 제조하는 단계; 및
상기 ZnO 기재 표면 위에 Ag 나노입자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전재료 제조 방법.
A method for manufacturing the thermoelectric material according to claim 1, comprising:
Preparing a ZnO substrate made of a thin or thick film or bulk material made of ZnO; and
and forming Ag nanoparticles on the surface of the ZnO substrate.
제4항에 있어서, 상기 ZnO 기재를 제조하는 단계는,
Zn 소스 용액을 제작하는 단계;
상기 Zn 소스 용액을 도포하여 ZnO 박막을 형성하는 단계; 및
상기 ZnO 박막을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전재료 제조 방법.
The method of claim 4, wherein the manufacturing of the ZnO substrate comprises:
preparing a Zn source solution;
forming a ZnO thin film by applying the Zn source solution; and
Thermoelectric material manufacturing method comprising the step of heat-treating the ZnO thin film.
제5항에 있어서, 상기 Zn 소스 용액은 메톡시에탄올(2-Methoxyethalnol)에 에탄올 아민(Ethanolamine)을 섞은 용액에, 아세트산 아연(Zinc-acetate)을 교반해 제작하는 것을 특징으로 하는 열전재료 제조 방법.The method according to claim 5, wherein the Zn source solution is prepared by stirring zinc acetate (Zinc-acetate) in a solution of methoxyethanol (2-Methoxyethalnol) mixed with ethanolamine (Ethanolamine). . 제4항에 있어서, 상기 Ag 나노입자를 형성하는 단계는,
열 증발기(thermal evaporator)에서 Ag를 증착해 Ag 나노입자를 형성하는 것을 특징으로 하는 열전재료 제조 방법.
The method of claim 4, wherein the forming of the Ag nanoparticles comprises:
A method for manufacturing a thermoelectric material, characterized in that Ag nanoparticles are formed by depositing Ag in a thermal evaporator.
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