KR20080104455A - 인장응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법 - Google Patents

인장응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법 Download PDF

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KR20080104455A
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Abstract

본 발명은 압축응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코스퍼터링(Co-sputtering) 또는 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 증착시킨 박막에서 압축응력을 이용한 단결정 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 산화물층(SiO2, Al2O3, BeO, Mg2Al4Si5O18)이 상면에 형성된 기판의 제공 단계; 상기 산화물층(SiO2, Al2O3, BeO, Mg2Al4Si5O18) 상에 코스퍼터링법 또는 스퍼터링으로 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막을 형성하는 단계; 10-7 Torr로 유지되는 반응로 내에서, 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막이 산화물층(SiO2, Al2O3, BeO, Mg2Al4Si5O18) 상에 형성된 기판을 적치한 후, 열처리하는 단계; 열처리 단계 후, A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막을 상온에서 냉각시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법을 제공한다.
단결정 나노선, 압축응력, 비스무스(Bi), 비스무스 텔루라이드, 성능 지수(ZT), 열전도도, 전기 전도도, 열전 계수, 열전 소자

Description

압축응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법{Method for manufacturing nanowire by using stress-induced growth}
도 1은 본 발명에 따른 단결정 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선의 제조 공정을 설명하는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 단결정 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선을 제조하기 위한 장치를 보여주는 모식도,
도 3은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 단결정 Bi x Te 1-x 나노선의 주사전자현미경 사진,
도 4는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 단결정 Bi x Te 1-x 나노선의 투과전자현미경 사진과 전자회절패턴을 보여주는 사진,
도 5는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 단결정 Bi x Te 1-x 나노선에 대한 성분 맵핑(elemental mapping)과 라인 스캔(line scan) 결과를 보여주는 사진,
도 6은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 단결정 Bi x Te 1-x 나노선의 성장 모식도,
도 7은 본 발명에 따른 단결정 Bi x Te 1-x 나노선을 제조하기 위한 Bi x Te 1-x 박막 제조 시 증착 파워에 따른 Bi x Te 1-x 의 의존성을 나타내는 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 단결정 Bi x Te 1-x 나노선을 제조하기 위한 Bi x Te 1-x 박막을 코스퍼터링법으로 제조하기 위한 장치와 제조되는 BixTe1-x 박막을 보여주는 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판
30 : 산화물층
50 : A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막
70 : A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선
100 : 반응로
110 : 석영튜브
120 : 알루미나 보트
본 발명은 압축응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법에 관한 것으로 서, 더욱 상세하게는 코스퍼터링(Co-sputtering) 또는 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 증착시킨 박막에서 압축응력을 이용한 단결정 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선 제조 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 반금속(semimetallic)인 Bi(bismuth)와 반도체(semiconductor)인 Te의 합금인 Bi x Te 1-x 는 큰 질량을 가지며, Bi와 Te 간의 반데르 발스 결합(Van der Waals bonding)과, Te 간의 공유 결합(Covalent bonding)으로 작은 스프링 상수를 갖기에 열전도도를 감소시킬 수 있고, 그로 인하여 성능 지수(figure of merit, ZT)를 증가시킬 수 있으므로, 현재 열전 재료로 많은 관심을 받고 있다.
또한, 반도체 재료인 Bi x Te 1-x 를 나노선으로 제조함으로써, 전자에너지 준위밀도(electrical density of state)를 제어할 수 있게 되며, 이 에너지준위 밀도함수의 모양과 피크 위치를 페르미 준위(Fermi level)에 매칭시키게 되면, 열전 효과에 영향을 주는 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 조정할 수 있게 된다.
그리고, 양자구속효과에 의해 전자운동도를 증가시켜 전기전도도를 높은 값으로 유지할 수 있어 벌크상 열전 재료의 한계를 극복하고 비교적 큰 ZT 값을 얻을 수 있다.
그러나, 높은 열전 효율을 위한 Bi x Te 1-x 단결정 나노선 제조가 열전 특성 연구에 필수적임에도 불구하고, 물질 고유의 특성상 단결정성을 가지기 어려워 나노 선 성장에 제한을 가지고 있을 뿐만 아니라, Bi x Te 1-x 나노선의 성장방법은 현재까지 많이 알려져 있지는 않다.
일반적으로, Bi x Te 1-x 단결정 나노선의 제조는 단일 물질이 아닌 합금으로 성장시켜야 함에 따라, 각 물질이 용해되어 있는 용매를 이용하여 성장시키는 방법이 주를 이루고 있으며, 이러한 방법으로는 템플릿-보조 방법(Templated-assisted method), 용액-상 방법(Solution-phase method), 압력 주입 방법(Pressure injection method) 등을 들 수 있다.
그러나, 상기 템플릿-보조(Templated-assisted) 방법은 템플릿의 마련이 쉽지 않으며, 또한 그 밖의 방법들은 초기 물질(starting material)이 필요하는 등 복잡한 공정이 필수적으로 수반되는 단점이 있고, 아울러, 단일 나노선 소자 공정을 위해 적절한 템플릿의 제거와 나노선 표면에 잔존하는 화학물질의 제거를 필수적으로 요하며, 또한 낮은 장평비(aspect ratio)로 인해 소자 공정시 다양한 패턴 형성에 어려움이 있다.
무엇보다도, 이러한 기존의 방법들은 성장된 Bi x Te 1-x 나노선이 다결정성 (polycrystalline)을 가지게 되어, Bi x Te 1-x 고유 특성을 관찰하는데 한계가 있다.
이러한 점을 고려하여, 본원 출원인은 단결정 Bi 나노선의 성장 기술을 이미 특허출원[출원번호: 10-2006-137069]한 바 있으며, 이를 응용하여 단일 물질에 대한 나노선 성장기술에서 더 나아가 코스퍼터링 또는 스퍼터링법으로 두 가지 이상 의 물질을 이용한 단결정 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선 성장을 위한 기술이 요구되었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 단결정 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선 성장을 위해 기존에 선행된 연구와 달리 템플릿 제조나 촉매 제조를 거치는 일반적인 나노선 합성과정을 거치지 않을 뿐만 아니라, 초기물질의 개입이나 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se)의 액상 혹은 기상으로의 상태 변화없이 매우 간단한 방법으로 단결정 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선을 제조할 수 있도록 한 압축응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 산화물층이 상면에 형성된 기판의 제공 단계; 상기 산화물층상에 코스퍼터링법 또는 스퍼터링법으로 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막을 형성하는 단계; 10-7 Torr로 유지되는 반응로 내에서, 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막이 산화물층상에 형성된 기판을 적치한 후, 열처리하는 단계; 열처리 단계 후, A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막을 상온에서 냉각시키 는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축응력을 이용한 단결정 나노선 제조 방법을 제공한다.
바람직한 일 구현예로서, 상기 열처리하는 단계중, 상기 기판과, 산화물층과, A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막은 서로 다른 열팽창계수로 인하여, 부피 팽창이 큰 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막은 부피 팽창이 작은 산화물층에 의해 인장응력이 걸리게 되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막을 상온에서 냉각시키는 단계중, A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 단결정 나노선이 성장되는 동시에 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막은 냉각에 의하여 본래의 위치로 뒤돌아가려는 압축응력이 걸리게 되고, 이 압축응력은 나노선 성장을 위한 열역학적 구동력으로 작용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 산화물층의 두께는 3000-5000Å로 한정하고, 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막의 두께를 10nm∼4㎛로 한정한다.
이때, 상기 산화물층은 SiO2, Al2O3, BeO, Mg2Al4Si5O18 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막의 열처리 온도는 100~1000℃이고, 그 열처리 시간은 1~15시간으로 설정하는 것이 바람직하다.
한편, A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선을 이용한 소자 제작을 위하여 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선의 산화물층을 플라즈마 에칭법을 통하여 10~100W, 2~3mTorr, 5~10cm 거리에서 12분간 식각하여 제거하는 단계가 더 진행될 수 있다.
이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 단결정 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선의 제조 공정을 설명하는 개략도이다.
도 1의 (a)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 단결정 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선 제조를 위하여 산화물층(30)이 상면에 형성된 기판(10)을 이용하며, 상기 산화물층은 SiO2, Al2O3, BeO, Mg2Al4Si5O18 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 기판(10)은 (111)면의 열산화된 Si기판즉, Si(111) 면에서 열산화가 일어난 기판을 이용하고, 바람직하게는 상기 기판(10)상의 산화물층(30) 두께는 3000-5000Å으로 제한하며, 그 이유는 기판(10)상의 산화물층(30) 두께가 3000-5000Å 범위 밖의 조건일 경우 나노선이 생성되기 위해 필요한 압축 응력 조건에 미치지 못하여 나노선 성장에 제한이 될 수 있기 때문이다.
이어서, 도 1의 (b)와 같이, SiO2, Al2O3, BeO, Mg2Al4Si5O18 중에서 선택된 하나인 산화물층(30)을 갖는 기판(10)의 상부, 즉 산화물층(30)상에 코스퍼터링법으로 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)을 형성한다.
이러한 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막을 형성하는 방법은 통상적인 것으로, 스퍼터링법을 이용한 다양한 공정을 통하여 상기 기판(10)상에 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)을 형성할 수 있다.
한편, 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)의 조성, 예를 들어 Bi x Te 1-x 박막의 조성은 Bi 와 Te 각 물질 증착시의 파워에 의존함에 따라서 Bi x Te 1-x 박막 조성을 조절할 수 있고, 또한 하기의 실시예에서 설명되는 Bi x Te 1-x 나노선 조성은 상기 Bi x Te 1-x 박막 조성에 의존하므로 특정한 조성의 Bi x Te 1-x 나노선을 성장시키고자 할 경우 Bi x Te 1-x 박막 조성을 조절하여 이루어질 수 있다.
이때, 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)의 두께를 10nm∼4㎛로 제한하는 것이 바람직하며, 그 한정 이유는 박막(50)의 두께를 10nm 이하로 할 경우는 나노선이 성장되기 위해 필요한 물질의 양이 충분하지 않게 되어 나노선이 성장되기 어려우며, 4㎛ 이상이 될 경우는 상기 산화물층(30)과 박막(50)과의 압축 응력 크기가 나노선 성장시 요구되는 압축 응력 크기에 적절하지 않게 되어 나노선 성장이 제대로 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.
다음으로, 본 발명에 따르면 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)이 산 화물층(30)상에 형성된 기판(10)을 반응로 내부에 적치한 후, 열처리한다.
여기서, 본 발명에 따른 단결정 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선을 제조하기 위한 장치, 즉 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)이 산화물층(30)상에 형성된 기판(10)의 열처리용 반응로를 포함하는 제조 장치의 구성과 그 열처리 과정을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 단결정 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선을 제조하기 위한 장치를 보여주는 모식도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제조 장치는 크게 반응로(100)와, 이 반응로(100)의 내부에 배치되는 석영튜브(110)와, 이 석영튜브(110)내에 위치하도록 구성된 알루미나 보트(120)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 반응로(100)에는 히터(미도시됨)가 위치하여 상기 석영튜브(110)를 가열하는 동시에 그 내부의 알루미나 보트(120)를 가열하게 되고, 이때의 가열온도는 제어기(미도시됨)를 통하여 조절할 수 있으며, 아울러 상기 석영튜브(110)의 우측 단부에는 석영튜브(110)내 진공 제공을 위해 진공 펌프(미도시됨)가 위치된다.
이에, 상기 알루미나 보트(120)의 내부에는 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)이 산화물층(30)상에 형성된 기판(10)이 놓이게 된다.
즉, 상기 석영튜브(110) 내부의 알루미나 보트(120)상에 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)이 산화물층(30)상에 형성된 기판(10)을 탑재한 다음, 상기 히터의 열에 의하여 알루미나 보트(120)가 가열되는 동시에 상기 기판(10)이 가열된다.
이때, 본 발명에 따르면 상기 반응로(100)의 내부를 10-7 Torr 정도로 유지하는 것이 바람직하며, 10-7 Torr 정도로 유지하는 것은 성장되는 나노선의 산화를 방지하여 결정성이 뛰어난 나노선의 성장이 가능할 수 있게 해준다.
이와 같이, 상기 알루미나 보트(120)상에 탑재된 기판, 즉 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)이 산화물층(30)상에 형성된 기판(10)을 가열함으로써, 첨부한 도 2의 (c)와 같이, 상기 기판(10)상의 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)에 인장응력이 유발되어진다.
즉, 상기 기판(10)과, 산화물층(30)과, A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)은 서로 다른 열팽창계수를 갖기 때문에, 상기와 같은 열처리시 높은 열팽창계수 (~19×10-6/℃)로 인해 부피 팽창이 큰 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)은 상대적으로 낮은 열팽창계수(0.5 × 10-6/℃)로 인해 부피 팽창이 작은 Si 산화층(30)에 의해 인장응력이 걸리게 된다.
한편, 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)의 열처리온도를 B에 사용되는 물질의 특성에 따라 100~1000℃로 제한하고, 또한 그 열처리 시간을 1~15시간으로 제한하는 것이 바람직하고, 이러한 열처리 시간이 증가할수록 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막은 더욱 팽창하여 많은 인장응력을 유발시킬 수 있다.
다음으로, 상기와 같은 열처리 공정이 완료된 후, A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)을 상온에서 냉각시킨다.
이러한 냉각과정의 초기시, 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이 대부분의 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 단결정 나노선(70)이 성장되는데, 이 나노선 성장과 함께 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)은 냉각에 의하여 본래의 위치로 뒤돌아가려는 압축응력이 걸리게 된다.
이러한 압축응력은 냉각공정에서의 나노선 성장에 있어서 열역학적 구동력(thermodynamic driving force)으로 작용하게 된다.
즉, 냉각 과정시 열처리 단계에서 이미 열팽창되어 있던 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)이 평형상태로 되돌아가기 위해 수축되면서 압축응력이 일어나는데, 이러한 압축응력은 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 단결정 나노선(70)이 성장하는데 열역학적 구동력으로 작용하여, A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 단결정 나노선의 성장이 보다 용이하게 일어나게 한다.
결국, 상기 냉각과정중 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막(50)에 작용하는 압축응력을 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 단결정 나노선의 성장과 아울러 열역학적 구동력(thermodynamic driving force)으로 작용하도록 유효한 방향으로 해소시킬 수 있 다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예를 통하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
먼저, Si산화물층(SiO2)이 3000Å 두께로 형성된 기판을 구비한 다음, 스퍼터링 또는 코스퍼터링법으로 상기 기판의 산화물층상에 Bi x Te 1-x 박막 500Å두께로 형성하였으며, 이는 도 8의 모식도에 나타낸 바와 같다.
이후, 산화물층상에 Bi x Te 1-x 박막이 형성된 기판을 반응로의 알루미나 보트상에 탑재한 다음, 350℃의 온도로 가열하는 열처리 공정을 진행하였다.
이어서, 열처리 공정후 산화물층상에 Bi x Te 1-x 박막이 형성된 기판을 상온에서 냉각하는 과정을 통하여, 열처리시 팽창되어 있던 Bi x Te 1-x 박막의 수축시 압축응력이 열역학적 구동력으로 작용하면서 Bi x Te 1-x 단결정 나노선이 용이하게 성장되도록 함으로써, Bi x Te 1-x 단결정 나노선을 제조하였다.
한편, 첨부한 도 6은 Bi x Te 1-x 단결정 나노선의 성장 모식도를 나타내고 있는데, 상기한 열처리후 냉각과정를 통하여 발생된 압축응력으로 Bi x Te 1-x 원자의 물질이동(mass transportation)이 결정립으로 이동하여, 나노선 성장에 근원(seed)이 되고, 또한 거친 표면은 Bi x Te 1-x 박막위에 형성된 산화층에 균열(crack)을 유발시켜 나노선이 용이하게 Bi x Te 1-x 박막에서 뚫고 나올 수 있는 원인이 된다.
실험예1
상기 실시예에서 제조된 Bi x Te 1-x 단결정 나노선을 주사전자 현미경으로 관찰하였는 바, 그 관찰 사진은 첨부한 도 3에 나타낸 바와 같다.
본 발명의 Bi x Te 1-x 나노선은 50~1000 nm의 직경을 가지며 전체적으로 단일상을 조성할 수 있음을 알 수 있었고, 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 단결정 Bi x Te 1-x 나노선은 그 형태가 균일한 모양으로 성장하고, 아울러 나노선의 수율도 높음을 확인할 수 있었으며, 또한 단결정 Bi x Te 1-x 나노선의 길이는 수백 마이크로미터이고, 그 직경은 수십-수백 나노미터임을 확인할 수 있었다.
실험예2
상기 실시예에서 제조된 Bi x Te 1-x 단결정 나노선을 투과전자 현미경으로 관찰하였는 바, 그 관찰 사진은 첨부한 도 4에 나타낸 바와 같다.
첨부한 도 4는 단결정 Bi x Te 1-x 나노선의 투과전자현미경 사진과 전자회절패턴을 보여주는 사진으로서, 도 4의 (a)는 나노선의 투과전자현미경 이미지를 보여주며, 도 4의 (b)는 전자회절 패턴에서도 나노벨트가 [100] 방향을 따라 삼방정(rhombohedral) 구조로 형성되었음을 보여주고 있으며, 도 4의 (c)는 나노선의 고해상도(High-resolution) 투과전자 현미경 이미지로서 나노선의 성장 방향이 [100] 방향으로 우선 배향 성장하였음을 확인할 수 있었다.
또한, 투과전전자 현미경 관찰 결과, 결정립과 같은 제2상은 관찰되지 않음도 확인할 수 있었다.
실험예3
상기 실시예에서 제조된 Bi x Te 1-x 단결정 나노선에 대한 성분 맵핑과 라인 스캔 실험을 하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 5에 나타낸 바와 같다.
첨부한 도 5는 단결정 Bi x Te 1-x 나노선에 대한 성분 맵핑(elemental mapping)과 라인 스캔 (line scan) 결과를 보여주는 사진으로서, 코스퍼터링을 통하여 성장된 Bi x Te 1-x 박막으로부터 냉각시의 압축응력에 의하여 성장된 Bi x Te 1-x 나노선의 성분 맵핑 결과, Bi 와 Te이 나노선의 길이 방향으로 편석됨없이 균일하게 분포하고 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 라인 스캔은 Bi x Te 1-x 의 양적 분석법으로 Bi 와 Te 이 나노선 전체에 균질하게 분포하고 있음을 확인할 수 있었다.
실험예4
본 발명의 Bi x Te 1-x 단결정 나노선의 제조를 위하여 Bi x Te 1-x 박막을 먼저 제조하는 바, 이 Bi x Te 1-x 박막 제조시 증착 파워에 따른 Bi x Te 1-x 조성의 의존성을 실험하였고, 그 결과는 도 7의 그래프에 나타낸 바와 같다.
도 7에 나타난 바와 같이, Bi 와 Te을 코스퍼터링시 Bi과 Te의 조성비가 Bi 증착 파워와 Te의 증착 파워에 각각 의존하고 있음을 알 수 있었다.
이를 통해, Bi x Te 1-x 박막 증착시에 증착 파워 조절을 통하여, Bi x Te 1-x 박막의 조성을 조절할 수 있고, 원하는 조성의 Bi x Te 1-x 나노선을 성장시킬 수 있음을 알 수 있었다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 단결정 Bi x Te 1-x 나노선 성장을 위해 기존의 선행된 기술과 달리 템플릿 제조나 촉매 제조를 거치는 일반적인 나노선 합성과정을 거치지 않을 뿐만 아니라, 초기물질 또는 이종물질의 개입이나 Bi x Te 1-x 의 액상 혹은 기상으로의 상태변화 없이 결정성이 뛰어난 단결정 Bi x Te 1-x 나노선을 성장시킬 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 압축응력을 이용한 단결정 나노선 제조 방법에 의하면, 단결정 Bi x Te 1-x 나노선 성장을 위해 기존의 선행된 기술과 달리 템플릿 제조나 촉매 제조를 거치는 일반적인 나노선 합성과정을 거치지 않을 뿐만 아니라, 초기물질 또는 이종물질의 개입이나 Bi x Te 1-x 의 액상 혹은 기상으로의 상태변화 없이 결정성이 뛰어난 단결정 Bi x Te 1-x 나노선을 성장시킬 수 있다.
또한 본 발명을 통하여 단결정 Bi x Te 1-x 나노선 제조에 국한적이지 않고, A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 물질을 이용하여 다양한 물질을 이용한 다양한 조성의 결정성이 뛰어난 단결정 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se)나노선을 성장시킬 수 있다.
학문적 측면에서, 본 발명은 단결정 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se)나노선의 전기 전도도, 열전도도 및 ZT 를 측정하여 새로운 초고효율 에너지 변환 메커니즘을 규명하여 공학적 응용의 기반을 조성할 수 있으며, 초고 변환 효율 열전 소자를 개발하는데 중요한 연구방향을 제시할 수 있다.
기술적인 관점에서, 본 발명은 단결정 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se)나노선 제조 기술 및 나노소자 응용기술을 확보할 수 있으며, 이러한 기술은 기존의 소자 특성을 한 단계 향상시키고, 아직까지 규명되지 않은 저차원 정보소재의 다양한 물리적 성질을 응용한 새로운 소자의 출현을 가능케 한다.
또한, 본 발명에 따른 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se)나노선을 이용한 열전 소자는 초고 효율 열전 효과를 가지는 단결정 단일 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se)나노선을 기반으로 새로운 발전 시스템 개발에 새로운 방법을 제시하는 계기가 될 것이다.
경제 산업적 측면에서, 본 발명에 따른 단결정 나노선의 열전효과를 이용한 열전소자를 응용한 시스템 기술은 우주용 발전기, 발열기, 항공용 열조절 장치, 군사용 적외선 탐지기, 미사일 유도용 회로 냉각기, 의료기용 항온조 및 혈액 보관기 등 다양한 분야의 한 차원 높은 발전을 가져다 줄 것이다.

Claims (8)

  1. 산화물층이 상면에 형성된 기판의 제공 단계;
    상기 산화물층상에 코스퍼터링법으로 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막을 형성하는 단계;
    10-7 Torr로 유지되는 반응로 내에서, 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막이 산화물층상에 형성된 기판을 적치한 후, 열처리하는 단계;
    열처리 단계 후, A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막을 상온에서 냉각시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 열처리하는 단계중, 상기 기판과, 산화물층과, A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막은 서로 다른 열팽창계수로 인하여, 부피 팽창이 큰 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막은 부피 팽창이 작은 산화물층에 의해 인장응력이 걸리게 되는 것을 특징으로 하는 압축응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막을 상온에서 냉각시키는 단계중, A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 단결정 나노선이 성장되는 동시에 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막은 냉각에 의하여 본래의 위치로 뒤돌아가려는 압축응력이 걸리게 되고, 이 압축응력은 나노선 성장을 위한 열역학적 구동력으로 작용하는 것을 특징으로 하는 압축응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 산화물층은 SiO2, Al2O3, BeO, Mg2Al4Si5O18 중 선택된 어느 하나를 사용하여 3000-5000Å 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 압축응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막의 두께는 10nm∼4㎛인 것을 특징으로 하는 압축응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 박막의 열처리 온도는 100~1000℃이고, 그 열처리 시간은 1~15시간인 것을 특징으로 하는 압축응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법.
  7. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선은 50~1000㎚의 직경을 가지며, 전체적으로 단일상인 것을 특징으로 하는 압축응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선을 이용한 소자 제작을 위하여 상기 A x B 1-x (A:Bi, B:Te, Sb, Se) 나노선의 산화물층을 플라즈마 에칭법을 통하여 10~100W, 2~3mTorr, 5~10cm 거리에서 12분간 식각하여 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축응력을 이용한 단결정 열전 나노선 제조 방법.
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