KR20120024246A - Thermoelectric device having vacuum nanogap and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A thermoelectric element in which a vacuum nano-gap is formed and manufacturing method thereof are provided to improve thermoelectric efficiency by adopting a structure scattering phonon on the surface of a nano-wire. CONSTITUTION: A first substrate(110) and a second substrate(120) are arranged in order to be faced each other. A first electrode(112) and a second electrode(122) are respectively formed on the inner side facing of the first substrate and the second substrate. An n-type column(142) and a p-type column(141) are arranged between the first electrode and the second electrode. A vacuum system(104) makes a space between the second substrate and the first substrate vacuous. A vacuum nano-gap is formed in the center of the n-type column and the p-type column.

Description

진공 나노갭이 형성된 열전소자 및 그 제조방법{Thermoelectric device having vacuum nanogap and method of manufacturing the same}Thermoelectric device having vacuum nanogap and method for manufacturing the same {Thermoelectric device having vacuum nanogap and method of manufacturing the same}

본 발명의 개시는 열전소자의 n형 컬럼 및 p형 컬럼에 복수의 나노와이어에 의한 진공 나노갭이 형성된 구조에 관한 것이다.The present disclosure relates to a structure in which a vacuum nanogap formed by a plurality of nanowires is formed in an n-type column and a p-type column of a thermoelectric device.

열전현상은 열과 전기 사이의 가역적인 직접적인 에너지 변환을 의미하며, 재료 내부의 전자(electron)와 정공(홀, hole)의 이동에 의해 발생하는 현상이다. 외부로부터 인가된 전류에 의해 형성된 양단의 온도차를 이용하여 냉각분야에 응용하는 펠티어 효과(Peltier effect)와 재료 양단의 온도차로부터 발생하는 기전력을 이용하여 발전분야에 응용하는 제벡효과(Seebeck effect)로 구분된다. Thermoelectric phenomena means the reversible direct energy conversion between heat and electricity, and is caused by the movement of electrons and holes in the material. It is divided into Peltier effect applied to cooling field by using temperature difference between both ends formed by current applied from outside and Seebeck effect applied to power generation field by using electromotive force generated from temperature difference between both ends of material. do.

열전 소자는 크게 절연기판, 금속전극, 열전재료로 구성되며, 정공이 이동하는 p-type 컬럼과 전자가 이동하는 n-type 컬럼이 직렬로 연결되어 있다. 열전소자의 양단에 직류전원을 인가하면 캐리어인 정공과 전자가 이동하여, 각 소자의 일면은 발열되고, 타면은 냉각된다.A thermoelectric element is composed of an insulating substrate, a metal electrode, and a thermoelectric material, and a p-type column in which holes move and an n-type column in which electrons move are connected in series. When DC power is applied to both ends of the thermoelectric element, holes and electrons, which are carriers, move, so that one surface of each device is heated and the other surface is cooled.

열전소자의　성능은　figure of merit (ZT)로 수학식 1과 같이 표시할 수 있다. The thermoelectric performance of the thermoelectric device can be expressed as Equation 1 by the figure of merit (ZT).

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, S는 제벡 계수, σ는 전기 전도도, K는 열 전도도이다. ZT 값을　향상시키기　위해서는　전기전도도를　증가시키거나　열전도도를　감소시켜야　한다. 하지만, 일반적으로 물질의 물성을 제어하여 전기 전도도만을 증가시키거나 열전도만을 감소시키는 것, 혹은 두가지를 동시에 일어나도록 하는 것은 용이하지 않다. 그　이유는　일반적으로　열 전도도의　감소가　전기 전도도의　감소를　가져오고,　전기 전도도의 증가는 열 전도도의 증가를 야기시키기 때문이다. Where S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, and K is the thermal conductivity. In order to improve the ZT value, the electrical conductivity must be increased or the thermal conductivity must be reduced. However, in general, it is not easy to control the physical properties of the material to increase only the electrical conductivity or to reduce only the thermal conductivity, or to cause both to occur at the same time. The reason for this is that, in general, a decrease in thermal conductivity results in a decrease in electrical conductivity, and an increase in electrical conductivity causes an increase in thermal conductivity.

최근에　특히　나노구조　를　이용해서　전기 전도도의 감소없이 포논(phonon)을 산란시켜서 열전도도만을 선택적으로 감소시키는 연구가 진행되고 있고, ZT 값을 3 이상으로 올렸다는 보고가 있다. 하지만, 주기적으로 정렬된 퀀텀도트가 임베드된 구조의 박막은 제작비용이 많이 들며, 제작시간이 길므로 제작 자체가 용이하지 않다. Recently, studies have been made to selectively reduce only thermal conductivity by scattering phonons without decreasing electrical conductivity, particularly using nanostructures, and have reported that the ZT value has been raised to 3 or more. However, the thin film of the structure in which the periodically aligned quantum dots are embedded is expensive to manufacture and is not easy to manufacture because of the long manufacturing time.

전기 전도도의 감소없이 열전도도를 선택적으로 감소시키는 다른 열전 소자의 구조가 요구된다.There is a need for structures of other thermoelectric elements that selectively reduce thermal conductivity without reducing electrical conductivity.

본 발명의 실시예는 진공 나노갭을 이용하여 전자는 터널링으로 흐를 수 있지만, 진공에서의　열전달은　획기적으로 줄일 수 있어서 상대적으로 전기 전도도의 감소 없이 열전도만을 감소시키는 열전소자와, 상기 진공 나노갭을 형성하는 방법을 제공한다. According to an embodiment of the present invention, electrons can flow through tunneling using a vacuum nanogap, but heat transfer in a vacuum can be dramatically reduced, so that only the thermal conductivity is reduced without a decrease in electrical conductivity. It provides a method of forming.

일 실시예에 따른 진공 나노갭이 형성된 열전소자는: According to one embodiment, a thermoelectric device in which a vacuum nanogap is formed is:

서로 마주보게 나란하게 배치되는 제1 기판 및 제2 기판;A first substrate and a second substrate disposed side by side facing each other;

상기 제1 기판 및 제2 기판의 서로 마주보는 내면에 각각 형성된 제1 전극 및 제2 전극; First and second electrodes formed on inner surfaces of the first and second substrates facing each other;

상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치된 n형 컬럼 및 p형 컬럼; 및An n-type column and a p-type column disposed between the first electrode and the second electrode; And

상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 공간을 진공으로 하는 진공장치;를 구비하며, 상기 각 컬럼의 중간에는 진공 나노갭이 형성된다. And a vacuum device for vacuuming the space between the first substrate and the second substrate, wherein a vacuum nanogap is formed in the middle of each column.

상기 각 컬럼은, 상기 제1 전극에 부착된 제1 부분과 상기 제2 전극에 부착된 제2 부분;Each column includes: a first portion attached to the first electrode and a second portion attached to the second electrode;

상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에서, 상기 제1 부분 상의 제3 전극; A third electrode on said first portion, between said first portion and said second portion;

상기 제2 부분 상에서 상기 제3 전극과 마주보게 형성된 제4 전극; A fourth electrode formed to face the third electrode on the second portion;

상기 제3 전극 및 상기 제4 전극 상에서 서로 마주보게 형성되되 그 사이에 상기 나노갭이 형성되는 제1 나노와이어 및 제2 나노와이어;를 구비하며, 상기 제1 나노와이어 및 상기 제2 나노와이어는 각각 대응되게 복수개의 쌍으로 형성된다. A first nanowire and a second nanowire which are formed to face each other on the third electrode and the fourth electrode, and wherein the nanogap is formed therebetween, wherein the first nanowire and the second nanowire are Each pair is formed in a plurality of pairs.

상기 나노와이어는 Au, Ag, Pt 또는 반도체 물질로 형성될 수 있다. The nanowires may be formed of Au, Ag, Pt or a semiconductor material.

상기 진공 나노갭은 1~5 nm 수직 길이로 형성될 수 있다. The vacuum nanogap may be formed to a vertical length of 1 ~ 5 nm.

상기 나노와이어는 대략 5nm ~ 10㎛ 직경을 가진다. The nanowires have a diameter of approximately 5 nm to 10 μm.

상기 나노와이어는 그 사이의 상기 진공갭을 포함하여 대략 100nm ~ 500 ㎛ 길이로 형성된다. The nanowires are formed to have a length of approximately 100 nm to 500 μm including the vacuum gap therebetween.

상기 제3 전극 및 제4 전극은 실리콘, Au, Al, Pt 중 어느 하나로 형성된다. The third electrode and the fourth electrode are formed of any one of silicon, Au, Al, and Pt.

본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에는 상기 컬럼의 열적 팽창 또는 수축에 따라 함께 열적 팽창 또는 수축을 하여 상기 진공 나노갭이 일정하게 유지되도록 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이를 지지하는 복수의 보정 스페이서;를 더 구비한다. According to an aspect of the present invention, the first substrate and the second substrate between the first substrate and the second substrate to thermally expand or contract together according to the thermal expansion or contraction of the column so that the vacuum nanogap is kept constant. A plurality of correction spacers for supporting between the second substrate is further provided.

상기 보정 스페이서는, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에서 상기 컬럼의 상기 제1 부분과 상기 제2 부분에 해당되는 부분과 동일한 길이로 형성된 두 부분과, 상기 두 부분 사이에서 상기 나노갭을 포함하는 상기 나노와이어의 길이에 해당되는 길이로 배치된다. The correction spacer may include two portions formed between the first substrate and the second substrate to have the same length as a portion corresponding to the first portion and the second portion of the column, and the nanogap between the two portions. It is disposed in a length corresponding to the length of the nanowires to include.

본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 제3 전극 및 상기 제4 전극 사이에서 상기 컬럼의 열적 팽창 또는 수축에 따라 상기 진공 나노갭의 형상이 변하는 것을 잡아주는 복수의 보정 스페이서;를 더 구비한다. According to another aspect of the present invention, a plurality of correction spacers for holding the change in the shape of the vacuum nanogap according to the thermal expansion or contraction of the column between the third electrode and the fourth electrode;

상기 보정 스페이서는 상기 나노와이어와 동일한 재질로서 상기 나노갭을 포함하는 상기 나노와이어의 길이로 형성된 복수의 제2 나노와이어일 수 있다. The calibration spacer may be the same material as the nanowires and may be a plurality of second nanowires formed in the length of the nanowire including the nanogap.

상기 공간은 10-4 기압 이하로 음압이 유지된다. The space is maintained at a sound pressure below 10 -4 atm.

본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 제조방법에 있어서, 상기 컬럼의 제조방법은:In the method of manufacturing a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention, the manufacturing method of the column is:

제1금속막 상에 복수의 제1홀이 형성된 템플레이트를 배치하는 제1 단계;Disposing a template having a plurality of first holes formed on the first metal film;

상기 각 제1홀을 채우되, 상부 및 하부는 제1물질로 채우고, 그 사이에는 제2물질로 채우며, 상기 제1물질과 상기 제2물질은 선택적으로 에칭할 수 있는 서로 다른 물질로 형성하여 나노와이어를 형성하는 제2 단계;Fill each of the first holes, the upper and lower portions with a first material, between the second material, and the first material and the second material is formed of different materials that can be selectively etched Forming a nanowire;

상기 템플레이트 상에 제2금속막을 형성하는 제3 단계;Forming a second metal film on the template;

상기 템플레이트 및 상기 제2물질을 순차적으로 에칭하여 상기 나노와이어에 나노갭을 형성하는 제4 단계; 및A fourth step of sequentially etching the template and the second material to form a nanogap in the nanowire; And

상기 결과물의 상기 제1금속막 및 상기 제2금속막의 서로 마주보는 표면에 각각 해당되는 컬럼의 제1 부분과 제2 부분을 설치하는 제5 단계;를 포함한다. And a fifth step of installing a first portion and a second portion of a column corresponding to surfaces of the first metal film and the second metal film that face each other.

상기 제2 단계는, 상기 제1홀에서 상기 나노와이어를 형성하기 위한 시드층을 상기 제1금속막 상에 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The second step may further include forming a seed layer on the first metal layer to form the nanowires in the first hole.

본 발명의 실시예에 따른 진공 나노갭이 형성된 열전소자는, 진공 나노갭이 열전달을 감소시키면서도 동시에 전자만을 터널링 효과로 흐르게 하므로 열전 효율이 증대된다. 또한, 나노와이어 구조 사이의 진공 나노갭이 모여있어서 전자 전달이 보다 효율적이며, 나노와이어 자체가 나노와이어 표면에서 포논을 산란시키는 구조이므로, 열전 효율이 향상된다. 또한, 진공도가 낮아도 열전효율이 향상되므로 진공 나노갭을 형성하는 비용이 적게 든다.In the thermoelectric element in which the vacuum nanogap is formed according to the embodiment of the present invention, the thermoelectric efficiency is increased because the vacuum nanogap reduces heat transfer and simultaneously flows only electrons in the tunneling effect. In addition, since the vacuum nanogap between the nanowire structures is gathered, electron transfer is more efficient, and since the nanowire itself is a structure in which phonons are scattered on the surface of the nanowire, thermoelectric efficiency is improved. In addition, even if the degree of vacuum is low, the thermoelectric efficiency is improved, so that the cost of forming the vacuum nanogap is low.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 나노갭의 일 실시예를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분의 확대된 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 보정 스페이서를 보여주는 단면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 각 컬럼의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 나노갭이 형성된 나노와이어의 주위 압력(진공도)에 따른 열전달을 시뮬레이션한 그래프이다.1 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of a vacuum nanogap according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of portion A of FIG. 1.
3 is a cross-sectional view illustrating a correction spacer according to another exemplary embodiment.
4A to 4E illustrate a method of manufacturing each column of a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention.
5 is a graph simulating the heat transfer according to the ambient pressure (vacuum degree) of the nanowire formed nanogap.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 진공 나노갭이 형성된 열전소자를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, a thermoelectric device in which a vacuum nanogap is formed according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thicknesses of layers or regions illustrated in the drawings are exaggerated for clarity. Throughout the specification, the same reference numerals are used for substantially the same components, and detailed descriptions thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 나노갭(100)의 일 실시예를 개략적으로 보여주는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of a vacuum nanogap 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 서로 마주보며 평행으로 설치되는 제1 기판(110) 및 제2 기판(120) 사이에 복수의 열전소자 유니트(140)가 배치된다. 각 열전소자 유니트(140)는 p형 컬럼(141)과 n형 컬럼(142)을 구비한다. 도 1에서는 편의상 2개의 열전소자 유니트(140)가 개시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. Referring to FIG. 1, a plurality of thermoelectric element units 140 are disposed between the first substrate 110 and the second substrate 120 that face each other and are installed in parallel. Each thermoelectric unit 140 includes a p-type column 141 and an n-type column 142. In FIG. 1, two thermoelectric element units 140 are disclosed for convenience, but the present invention is not limited thereto.

제1 기판(110) 상에는 복수의 제1 전극(112)이 배치되며, 제2 기판(120) 상에는 복수의 제2 전극(122)이 배치된다. 제1 전극(112)과 제2 전극(122) 사이에는 복수의 p형 컬럼(141)과 n형 컬럼(142)이 배치된다. 이들 p형 컬럼(141)과 n형 컬럼(142)은 직렬로 연결되며, 열전 컬럼들의 양단의 리드전극((144)에 직렬전압이 인가된다. 리드전극(144) 사이에 인가되는 직류의 방향에 따라서, 제1 기판(110) 및 제2 기판(120) 중 하나는 핫 플레이트가 되며, 나머지 기판은 콜드 플레이트가 된다. A plurality of first electrodes 112 are disposed on the first substrate 110, and a plurality of second electrodes 122 are disposed on the second substrate 120. A plurality of p-type columns 141 and n-type columns 142 are disposed between the first electrode 112 and the second electrode 122. These p-type columns 141 and n-type columns 142 are connected in series, and a series voltage is applied to the lead electrodes 144 at both ends of the thermoelectric columns. The direction of direct current applied between the lead electrodes 144. Accordingly, one of the first substrate 110 and the second substrate 120 is a hot plate, the other substrate is a cold plate.

제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에는 내부 공간을 한정하는 측벽(130)이 형성된다. 측벽(130)은 플렉서블한 재료로 설치될 수 있다. 측벽(130) 또는 제1 기판(110)(또는 제2 기판(120))에는 진공장치(104)가 연결된다. 진공장치(104)는 내부공간의 압력을 소정 압력, 예컨대 10-4 torr 이하로 유지시킨다. 이러한 압력유지 이유는 후술된다. A sidewall 130 defining an internal space is formed between the first substrate 110 and the second substrate 120. The side wall 130 may be installed of a flexible material. The vacuum device 104 is connected to the side wall 130 or the first substrate 110 (or the second substrate 120). The vacuum device 104 maintains the pressure of the internal space at a predetermined pressure, for example, 10 −4 torr or less. This pressure holding reason is described later.

도 1의 각 컬럼(141, 142)에는 나노 갭이 형성된 나노와이어가 배치되어 있다. 이러한 나노갭의 구조는 도 1의 A 부분의 확대된 도면인 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다. In each column 141 and 142 of FIG. 1, nanowires having nanogaps are disposed. The structure of the nanogap will be described in detail with reference to FIG. 2, which is an enlarged view of the portion A of FIG. 1.

도 2를 참조하면, 각 컬럼(141, 142)은 제1 전극(112) 상의 제1 부분(151)과 제2 전극(122) 상의 제2 부분(152)을 구비한다. 제1 부분(151) 및 제2 부분(152)은 대략 100nm~500㎛ 수직 간격으로 배치된다. 제1 부분(151) 및 제2 부분(152)의 마주보는 면에는 각각 제3 전극(153) 및 제4 전극(154)이 형성되며, 제3 전극(153) 및 제4 전극(154) 사이에는 복수의 나노와이어(156)가 이들 사이를 연결하되 그 사이에는 나노갭(G)이 형성되어 있다. 나노와이어(156)는 금속, 예컨대 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt)으로 형성되거나 반도체 물질, 예컨대, 게르마늄(Ge), 실리콘(Si), 2-6족 반도체 화합물, 3-5족 반도체 화합물로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 2, each column 141, 142 has a first portion 151 on the first electrode 112 and a second portion 152 on the second electrode 122. The first portion 151 and the second portion 152 are disposed at approximately 100 nm to 500 μm vertical intervals. Third and fourth electrodes 153 and 154 are formed on opposite surfaces of the first and second parts 151 and 152, respectively, between the third and fourth electrodes 153 and 154. There is a plurality of nanowires 156 are connected between them, the nanogap (G) is formed therebetween. Nanowire 156 is formed of a metal such as gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt) or a semiconductor material such as germanium (Ge), silicon (Si), group 2-6 semiconductor compound, 3- It may be formed of a Group 5 semiconductor compound.

나노갭(G)은 1~5 nm 일 수 있다. 나노와이어(156)는 대략 5nm~10㎛ 직경을 가지며, 그 사이의 나노갭(G)을 포함하여 대략 100nm~500㎛ 길이로 형성된다. Nanogap (G) may be 1 ~ 5 nm. The nanowires 156 have a diameter of about 5 nm to 10 μm, and are formed to have a length of about 100 nm to 500 μm including the nanogap G therebetween.

제3 전극(153) 및 제4 전극(154)은 각각 실리콘, 오믹접합 금속, 예컨대, Au, Al, Pt 등으로 형성될 수 있다. The third electrode 153 and the fourth electrode 154 may be formed of silicon, an ohmic junction metal, for example, Au, Al, Pt, or the like.

다시 도 1을 참조하면, 제1 기판(110) 및 제2 기판(120) 사이에는 복수의 보정 스페이서(160)가 배치된다. 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)은 열전도가 높은 비전도성 물질로 형성된다. Referring back to FIG. 1, a plurality of correction spacers 160 are disposed between the first substrate 110 and the second substrate 120. The first substrate 110 and the second substrate 120 are formed of a non-conductive material having high thermal conductivity.

보정 스페이서(160)는 각 컬럼의 열적 팽창 또는 수축을 보정해 준다. 보정 스페이서(160)는 열전소자가 온도 증감으로 인해 미세하게 부피팽창이 일어나서 나노갭(G)의 형상이 변하는 것을 막는 역할을 한다. 즉, 보정 스페이서(160)의 열팽창/수축을 열전 컬럼의 열팽창/수축과 실질적으로 동일하게 하여 나노갭(G)의 형상을 유지한다. The correction spacer 160 compensates for thermal expansion or contraction of each column. The correction spacer 160 serves to prevent the thermoelectric device from changing the shape of the nanogap G due to minute volume expansion due to temperature increase and decrease. That is, the thermal expansion / contraction of the correction spacer 160 is substantially the same as the thermal expansion / contraction of the thermoelectric column to maintain the shape of the nanogap G.

보정 스페이서(160)는 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에서 나노 와이어(156)에 해당되는 길이가 각 컬럼의 나노와이어(156)와 동일한 물질로 형성된 보정층(163)과, 보정층(163) 및 전극(112, 122) 사이의 물질층(161, 162)은 컬럼(141, 142)의 물질과 동일한 물질로 형성되거나, 나노와이어(156)와 다른 재질이지만 비슷한 열팽창 계수를 갖는 물질로 형성될 수 있다. 보정 스페이서(160)는 온도 변화에 따른 나노갭의 간극 변화가 일어나지 않도록 보정하는 기능을 수행한다. 이러한 보정 스페이서(160)의 조성은 각 컬럼(141, 142)의 열팽창/수축을 가장 잘 모사하는 것이다. The correction spacer 160 may include a correction layer 163 formed between the first substrate 110 and the second substrate 120 with a length corresponding to the nanowires 156 of the same material as the nanowires 156 of each column. The material layers 161 and 162 between the correction layer 163 and the electrodes 112 and 122 may be formed of the same material as the materials of the columns 141 and 142, or may be different materials from those of the nanowires 156, but have similar thermal expansion coefficients. It may be formed of a material having a. The correction spacer 160 performs a function of correcting such that a gap change of the nanogap does not occur due to temperature change. The composition of the correction spacer 160 best simulates the thermal expansion / contraction of each of the columns 141 and 142.

도 3은 다른 실시예에 따른 보정 스페이서를 보여주는 단면도이다. 도 2의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다. 3 is a cross-sectional view illustrating a correction spacer according to another exemplary embodiment. Components that are substantially the same as those of FIG. 2 are given the same reference numerals and detailed descriptions thereof will be omitted.

도 3을 참조하면, 제3 전극(153) 및 제4 전극(154) 사이에는 복수의 보정 스페이서(156')가 형성된다. 보정 스페이서(156')는 나노와이어(156)와 동일한 혹은 다른 재질로 형성될 수 있으며, 다만, 나노갭(G) 없이 형성된다. 보정 스페이서(156')의 적어도 일단에는 절연부(158)가 형성되어서 제3 전극(153) 및 제4 전극(154) 사이를 절연한다. Referring to FIG. 3, a plurality of correction spacers 156 ′ are formed between the third electrode 153 and the fourth electrode 154. The correction spacer 156 ′ may be formed of the same or different material as that of the nanowire 156, but may be formed without the nanogap G. An insulating part 158 is formed on at least one end of the correction spacer 156 ′ to insulate between the third electrode 153 and the fourth electrode 154.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 각 컬럼의 제조방법을 설명하는 도면이다. 4A to 4E illustrate a method of manufacturing each column of a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4a를 참조하면, 제3 전극(153) 상에 수직홀(202)이 형성된 템플레이트(200)를 배치한다. 템플레이트(200) 및 제3 전극(153)의 직경은 열전 컬럼(141, 142)의 직경과 거의 동일한 크기를 가진다. 수직홀(202)은 복수로 형성될 수 있으며, 대략 5nm~10㎛ 직경을 가지며, 대략 100nm~500㎛ 길이로 형성된다. 템플레이트(200)로는 알루미늄 애노다이징 옥사이드(AAO) 또는 블록 코폴리머(block copolymer)와 같이 균일한 나노크기의 홀이 형성된 템플레이트가 사용될 수 있다. Referring to FIG. 4A, a template 200 in which a vertical hole 202 is formed is disposed on the third electrode 153. The diameters of the template 200 and the third electrode 153 are substantially the same as the diameters of the thermoelectric columns 141 and 142. The vertical holes 202 may be formed in plural, have a diameter of about 5 nm to 10 μm, and have a length of about 100 nm to 500 μm. As the template 200, a template in which uniform nano-sized holes are formed, such as aluminum anodizing oxide (AAO) or block copolymer, may be used.

제3 전극(153)은 실리콘, 오믹접합 금속, 예컨대, Au, Al, Pt 등으로 형성될 수 있다. The third electrode 153 may be formed of silicon, an ohmic junction metal such as Au, Al, Pt, or the like.

도 4b는 도 4a의 수직홀(202)의 단면도이다. 도 4b를 참조하면, 수직홀(202)의 바닥에 시드층(210)을 전기도금 또는 화학기상 증착방법, 원자층 증착방법을 사용하여 형성한다. 시드층(210)으로는 Ag, Au 등의 금속물질이 사용될 수 있다. 4B is a cross-sectional view of the vertical hole 202 of FIG. 4A. Referring to FIG. 4B, the seed layer 210 is formed at the bottom of the vertical hole 202 using an electroplating or chemical vapor deposition method or an atomic layer deposition method. As the seed layer 210, a metal material such as Ag or Au may be used.

이어서, 시드층(210) 상에 제1 나노와이어(211)를 형성한다. 제1 나노와이어(211)는 전기도금 또는 화학기상 증착방법, 원자층 증착방법을 사용할 수 있다. Subsequently, the first nanowires 211 are formed on the seed layer 210. The first nanowire 211 may use an electroplating or chemical vapor deposition method or an atomic layer deposition method.

이어서, 제1 나노와이어(211)와 선택적으로 식각할 수 있는 물질로 나노갭층(212)을 형성한다. 나노갭층(212)은 대략 1-5 nm 수직높이로 형성되며, 원자층 증착방법 또는 전기도금으로 형성될 수 있다. Subsequently, the nanogap layer 212 is formed of a material that can be selectively etched with the first nanowire 211. The nanogap layer 212 is formed at approximately 1-5 nm vertical height, and may be formed by atomic layer deposition or electroplating.

이어서, 나노갭층(212) 상에 제2 나노와이어(213)를 형성한다. 제2 나노와이어(213)는 제1 나노와이어(211)와 같은 물질로, 그리고 같은 방법으로 형성될 수 있다. Subsequently, a second nanowire 213 is formed on the nanogap layer 212. The second nanowire 213 may be formed of the same material as the first nanowire 211 and in the same manner.

일 예로 제1 나노와이어(211)와 제2 나노와이어(213)는 각각 10㎛ 길이의 Ag로 형성하고, 나노갭층(212)은 2.5nm 길이의 Ag로 형성할 수 있다. For example, the first nanowires 211 and the second nanowires 213 may each be formed of Ag having a length of 10 μm, and the nanogap layer 212 may be formed of Ag having a length of 2.5 nm.

도 4c를 참조하면, 템플레이트(200) 상에 제4 전극(154)을 형성한다. 제4 전극(154)은 별도의 금속박막을 템플레이트(200) 상에 배치하거나 또는 템플레이트(200) 상으로 금속을 증착하여 금속박막을 형성할 수도 있다. 제4 전극(154)은 Au, Ag 등으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 4C, a fourth electrode 154 is formed on the template 200. The fourth electrode 154 may be provided with a separate metal thin film on the template 200 or by depositing a metal on the template 200 to form a metal thin film. The fourth electrode 154 may be formed of Au, Ag, or the like.

도 4d를 참조하면, 제3 전극(153)의 하부에 열전 컬럼의 제1 부분(151)을 배치하고, 제4 전극(154) 상에 열전 컬럼의 제2 부분(152)을 배치한다. Referring to FIG. 4D, the first portion 151 of the thermoelectric column is disposed below the third electrode 153, and the second portion 152 of the thermoelectric column is disposed on the fourth electrode 154.

도 4e를 참조하면, 템플레이트(200)와 나노갭층(212)을 순차적으로 식각하여 제1 나노와이어(211) 및 제2 나노와이어(213) 사이의 나노갭(G)을 형성한다. Referring to FIG. 4E, the template 200 and the nanogap layer 212 are sequentially etched to form a nanogap G between the first nanowire 211 and the second nanowire 213.

상술한 제조방법에서는 하나의 컬럼에 해당되는 부분에 하나의 템플레이트(200)를 사용하였지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 하나의 열전 컬럼의 제1 부분(151) 및 제2 부분(152) 사이에 각각 제3 전극(153) 및 제4 전극(154)이 배치되고, 그 사이에 복수의 템플레이트(200)가 배치되어서 나노와이어의 전기전도성을 향상시킬 수도 있다. In the above-described manufacturing method, one template 200 is used for a portion corresponding to one column, but the present invention is not necessarily limited thereto. For example, a third electrode 153 and a fourth electrode 154 are disposed between the first portion 151 and the second portion 152 of one thermoelectric column, and a plurality of templates 200 are disposed therebetween. It can also be arranged to improve the electrical conductivity of the nanowires.

일반적으로 나노와이어에서의 열전달 메커니즘은 전도, 대류, 복사가 있다. 전도와 대류는 매질을 통한 열전달이며, 복사는 매질이 없어도 열전달이 된다. 대류에서의 열전달은 진공에서는 무시할 수 있다. Generally, heat transfer mechanisms in nanowires are conduction, convection, and radiation. Conduction and convection are heat transfer through the medium, and radiation is heat transfer even without the medium. Heat transfer in convection is negligible in vacuum.

도 5는 나노갭이 형성된 나노와이어의 주위 압력(진공도)에 따른 열전달을 시뮬레이션한 그래프이다. 도 5에서는 제1 기판(110)과 제2 기판(120)의 온도를 각각 500K, 300K로 가정하고, Au 로 나노와이어를 형성하고, 나노갭(G)을 1 nm 로 하였을 때의 결과를 보여준다. 5 is a graph simulating the heat transfer according to the ambient pressure (vacuum degree) of the nanowire formed nanogap. FIG. 5 shows the results of assuming that the temperature of the first substrate 110 and the second substrate 120 is 500K and 300K, respectively, that nanowires are formed of Au and the nanogap G is 1 nm. .

도 5를 참조하면, 나노와이어의 열복사는 압력과 관계없이 일정하나, 열전도에 따른 열전달은 압력이 감소함에 따라 일정하게 감소되며, 특히 압력이 3x10-4 기압 이하에서는 복사에 의한 열전달이 우세한 것을 알 수 있다. 따라서, 10-4 기압 이하에서는 나노와이어에서의 열전달을 어느 정도 낮출 수 있으며, 이 압력은 일반 로터리 펌프로도 제어가 가능하므로, 진공 시스템을 적용하는 비용도 적게 들 수 있다. Referring to FIG. 5, the heat radiation of the nanowires is constant regardless of the pressure, but the heat transfer according to the heat conduction decreases constantly as the pressure decreases. In particular, it is understood that heat transfer by radiation is superior when the pressure is lower than 3 × 10 −4 atm. Can be. Therefore, below 10 -4 atm, the heat transfer in the nanowires can be lowered to some extent, and since the pressure can be controlled by a general rotary pump, the cost of applying a vacuum system can be reduced.

한편, 상술한 조건의 시뮬레이션에서 나노와이어의 나노갭(G)을 변경시켰을 때, 나노갭(G)이 나노크기에서 감소할 수록, 열전도도가 감소하였다. On the other hand, when the nanogap (G) of the nanowire is changed in the simulation of the above-described conditions, the thermal conductivity decreases as the nanogap (G) decreases in the nanosize.

본 발명의 실시예에 따른 진공 나노갭(G)이 형성된 열전소자는, 진공 나노갭(G)이 열전달을 감소시키면서도 동시에 전자전달만을 터널링 효과로 흐르게 하므로 열전 효율이 증대된다. 또한, 나노와이어 구조 사이의 진공 나노갭이 모여있어서 전자 전달이 보다 효율적이며, 나노와이어 자체가 나노와이어 표면에서 포논을 산란시키는 구조이므로, 열전 효율이 향상된다. 또한, 진공도가 낮아도 열전효율이 향상되므로 진공 나노갭을 형성하는 비용이 적게 든다. In the thermoelectric device in which the vacuum nanogap G is formed according to an embodiment of the present invention, the thermoelectric efficiency is increased because the vacuum nanogap G allows only electron transfer to flow while simultaneously reducing heat transfer. In addition, since the vacuum nanogap between the nanowire structures is gathered, electron transfer is more efficient, and since the nanowire itself is a structure in which phonons are scattered on the surface of the nanowire, thermoelectric efficiency is improved. In addition, even if the degree of vacuum is low, the thermoelectric efficiency is improved, so that the cost of forming the vacuum nanogap is low.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.

Claims (19)

서로 마주보게 나란하게 배치되는 제1 기판 및 제2 기판;
상기 제1 기판 및 제2 기판의 서로 마주보는 내면에 각각 형성된 제1 전극 및 제2 전극;
상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치된 n형 컬럼 및 p형 컬럼;
상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이의 공간을 진공으로 하는 진공장치;를 구비하며,
상기 각 컬럼의 중간에는 진공 나노갭이 형성된 것을 특징으로 하는 진공 나노갭이 형성된 열전소자. A first substrate and a second substrate disposed side by side facing each other;
First and second electrodes formed on inner surfaces of the first and second substrates facing each other;
An n-type column and a p-type column disposed between the first electrode and the second electrode;
A vacuum device for vacuuming a space between the first substrate and the second substrate;
The vacuum nanogap formed thermoelectric element, characterized in that the vacuum nanogap is formed in the middle of each column. 제 1 항에 있어서,
상기 각 컬럼은, 상기 제1 전극에 부착된 제1 부분과 상기 제2 전극에 부착된 제2 부분;
상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에서, 상기 제1 부분 상의 제3 전극;
상기 제2 부분 상에서 상기 제3 전극과 마주보게 형성된 제4 전극;
상기 제3 전극 및 상기 제4 전극 상에서 서로 마주보게 형성되되 그 사이에 상기 나노갭이 형성되는 제1 나노와이어 및 제2 나노와이어;를 구비하며,
상기 제1 나노와이어 및 상기 제2 나노와이어는 각각 대응되게 복수개의 쌍으로 형성된 열전소자. The method of claim 1,
Each column includes: a first portion attached to the first electrode and a second portion attached to the second electrode;
A third electrode on said first portion, between said first portion and said second portion;
A fourth electrode formed to face the third electrode on the second portion;
A first nanowire and a second nanowire formed on the third electrode and the fourth electrode so as to face each other, wherein the nanogap is formed therebetween;
The first nanowire and the second nanowires are respectively formed in a plurality of pairs of thermoelectric elements. 제 2 항에 있어서,
상기 나노와이어는 Au, Ag, Pt 또는 반도체 물질로 형성된 열전소자. The method of claim 2,
The nanowires are formed of Au, Ag, Pt or a semiconductor material. 제 2 항에 있어서,
상기 진공 나노갭은 1~5 nm 수직 길이로 형성된 열전소자. The method of claim 2,
The vacuum nanogap is a thermoelectric device formed in a vertical length of 1 ~ 5 nm. 제 2 항에 있어서,
상기 나노와이어는 대략 5nm ~ 10㎛ 직경을 가진 열전소자. The method of claim 2,
The nanowires are about 5nm ~ 10㎛ diameter thermoelectric device. 제 5 항에 있어서,
상기 나노와이어는 그 사이의 상기 진공갭을 포함하여 대략 100nm ~ 500 ㎛ 길이로 형성된 열전소자. The method of claim 5, wherein
The nanowires are formed in a length of approximately 100nm to 500㎛ including the vacuum gap therebetween. 제 2 항에 있어서,
상기 제3 전극 및 제4 전극은 실리콘, Au, Al, Pt 중 어느 하나로 형성된 열전소자. The method of claim 2,
The third electrode and the fourth electrode is a thermoelectric element formed of any one of silicon, Au, Al, Pt. 제 2 항에 있어서,
상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에는 상기 컬럼의 열적 팽창 또는 수축에 따라 함께 열적 팽창 또는 수축을 하여 상기 진공 나노갭이 일정하게 유지되도록 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이를 지지하는 복수의 보정 스페이서;를 더 구비하는 열전소자. The method of claim 2,
A plurality of supporting the space between the first substrate and the second substrate between the first substrate and the second substrate to thermally expand or contract according to the thermal expansion or contraction of the column to keep the vacuum nanogap constant. And a correction spacer. 제 8 항에 있어서,
상기 보정 스페이서는, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에서 상기 컬럼의 상기 제1 부분과 상기 제2 부분에 해당되는 부분과 동일한 길이로 형성된 두 부분과, 상기 두 부분 사이에서 상기 나노갭을 포함하는 상기 나노와이어의 길이에 해당되는 길이로 배치된 복수의 제2 나노와이어를 구비한 열전소자. The method of claim 8,
The correction spacer may include two portions formed between the first substrate and the second substrate to have the same length as a portion corresponding to the first portion and the second portion of the column, and the nanogap between the two portions. Thermoelectric device having a plurality of second nanowires arranged in a length corresponding to the length of the nanowires including. 제 2 항에 있어서,
상기 제3 전극 및 상기 제4 전극 사이에서 상기 컬럼의 열적 팽창 또는 수축에 따라 상기 진공 나노갭의 형상이 변하는 것을 잡아주는 복수의 보정 스페이서;를 더 구비하는 열전소자. The method of claim 2,
And a plurality of correction spacers configured to hold the shape of the vacuum nanogap changed according to thermal expansion or contraction of the column between the third electrode and the fourth electrode. 제 10 항에 있어서,
상기 보정 스페이서는 상기 나노와이어와 동일한 재질로서 상기 나노갭을 포함하는 상기 나노와이어의 길이로 형성된 복수의 제2 나노와이어인 열전소자. The method of claim 10,
The correction spacer is a thermoelectric element having a same material as that of the nanowire, and a plurality of second nanowires having a length of the nanowire including the nanogap. 제 1 항에 있어서,
상기 공간은 10-4 기압 이하로 음압이 유지되는 열전소자. The method of claim 1,
The space is a thermoelectric element of which sound pressure is maintained below 10 −4 atm. 제 2 항의 열전소자의 제조방법에 있어서, 상기 컬럼의 제조방법은:
제1금속막 상에 복수의 제1홀이 형성된 템플레이트를 배치하는 제1 단계;
상기 각 제1홀을 채우되, 상부 및 하부는 제1물질로 채우고, 그 사이에는 제2물질로 채우며, 상기 제1물질과 상기 제2물질은 선택적으로 에칭할 수 있는 서로 다른 물질로 형성하여 나노와이어를 형성하는 제2 단계;
상기 템플레이트 상에 제2금속막을 형성하는 제3 단계;
상기 템플레이트 및 상기 제2물질을 순차적으로 에칭하여 상기 나노와이어에 나노갭을 형성하는 제4 단계; 및
상기 결과물의 상기 제1금속막 및 상기 제2금속막의 서로 마주보는 표면에 각각 해당되는 컬럼의 제1 부분과 제2 부분을 설치하는 제5 단계;를 포함하는 열전소자 제조방법. The method of manufacturing a thermoelectric device of claim 2, wherein the method of manufacturing the column is:
Disposing a template having a plurality of first holes formed on the first metal film;
Fill each of the first holes, the upper and lower portions with a first material, between the second material, and the first material and the second material is formed of different materials that can be selectively etched Forming a nanowire;
Forming a second metal film on the template;
A fourth step of sequentially etching the template and the second material to form a nanogap in the nanowire; And
And installing a first portion and a second portion of a column corresponding to surfaces of the resultant first metal film and the second metal film, respectively, facing each other. 제 13 항에 있어서,
상기 제2 단계는, 상기 제1홀에서 상기 나노와이어를 형성하기 위한 시드층을 상기 제1금속막 상에 형성하는 단계;를 더 포함하는 열전소자 제조방법. The method of claim 13,
The second step may further include forming a seed layer on the first metal layer for forming the nanowires in the first hole. 제 13 항에 있어서,
상기 나노와이어는 Au, Ag, Pt 또는 반도체 물질로 형성되는 열전소자 제조방법. The method of claim 13,
The nanowires are formed of Au, Ag, Pt or a semiconductor material. 제 13 항에 있어서,
상기 나노갭은 1-5 nm 크기로 형성되는 열전소자 제조방법. The method of claim 13,
The nanogap is formed in the size of 1-5 nm thermoelectric device manufacturing method. 제 13 항에 있어서,
상기 나노와이어는 대략 5nm ~ 10㎛ 직경을 가진 열전소자 제조방법. The method of claim 13,
The nanowires have a diameter of about 5nm ~ 10㎛ thermoelectric device manufacturing method. 제 13 항에 있어서,
상기 나노와이어는 그 사이의 진공갭을 포함하여 대략 100nm ~ 500 ㎛ 길이로 형성되는 열전소자 제조방법. The method of claim 13,
The nanowires are formed in a length of approximately 100nm ~ 500㎛ including a vacuum gap therebetween. 제 13 항에 있어서,
상기 제1금속막 및 제2금속막은 실리콘, Au, Al, Pt 중 어느 하나로 형성되는 열전소자 제조방법.The method of claim 13,
The first metal film and the second metal film is a thermoelectric device manufacturing method formed of any one of silicon, Au, Al, Pt.
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