KR20130061942A - 열전지수 향상을 위한 클래딩된 나노선을 이용한 열전 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 고효율 열전 소자를 구현하기 위하여, 열전도도가 저하되는 열전 소자의 구조를 제안한다. 본 발명에 따른 클래딩된 나노선은 열전도도가 낮은 클래딩 층이 전기전도성이 좋은 나노선을 둘러싼 구조를 가진다. 상기 클래딩된 나노선은 전기전도도는 유지되고, 열전도도는 감소할 수 있다. 상기 클래딩된 나노선을 이용한 열전 소자는 높은 ZT 값을 가질 수 있고, 열전 소자의 공정비용을 낮출 수 있다.

Description

열전지수 향상을 위한 클래딩된 나노선을 이용한 열전 소자 {Thermoelectric device using cladded nanowires for improvement of thermoelectric figure of merit}

본 발명은 열전 소자에 관한 것으로 구체적으로는 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 클래딩된 나노선이 적용된 열전 소자에 관한 것이다.

최근에 에너지 자원이 고갈되어감에 따라 유가가 폭등하고, 이산화 탄소의 배출로 지구 온난화가 심화되고 있다. 따라서 새로운 에너지 자원의 개발과 탄소 기반 에너지원 대체의 필요성이 증가하고 있다. 새로운 에너지 자원인 신재생 에너지는 태양에너지, 풍력에너지, 조력에너지, 지열에너지 등이 있다. 그러나 신재생 에너지는 전자 통신 기기 및 부품에 적용하기에 부적합하다. 신재생 에너지로 전력을 생산하는 소자의 소형화가 가능해야 하고, 상기 소자가 충분한 전력을 생산할 수 있어야 하기 때문이다. 상기 소자에 대한 많은 연구가 있지만, 안정성과 재현성에 문제가 있다. 체온이나 태양열 같은 열에너지에서 전기에너지를 생산하는 기술을 열전(thermoelectric)변환 기술이라 한다. 상기 기술이 적용된 소자는 소형화가 용이하고, 소량의 전력이 필요한 IT 기기에 응용될 수 있다.

물질의 열전 변환 효율은 물질의 Figure-of-Merit인 ZT 값에 의해 좌우된다. 물질의 ZT 값은 다음과 같은 수학식 1로 표현된다.

상기 수학식 1에서 ZT 값은 열전재료의 지벡 계수(Seebeck coefficient)(α), 전기전도도(σ), 및 온도(T)에 비례하고, 열전도도(κ)에 반비례한다. 지벡 계수(α)는 단위 온도 변화에 따라 생성되는 전압의 크기 (ΔV/ΔT)를 나타낸다. 지벡 계수(α)는 열기전력(thermopower) 또는 열전력(thermoelectric power)라고도 불리며, 음 또는 양의 값을 가질 수 있다. 지벡 계수(α)는 물질 고유의 특성으로 일반적으로 금속에서는 값이 작고, 반도체에서는 값이 크다. 지벡 계수(α), 전기전도도(σ), 및 열전도도(κ)는 독립적인 변수가 아니고 상호 영향을 받기 때문에, ZT 값이 높은 열전 소자를 구현하는 것은 용이하지 않다.

열전 소자에 쓰이는 물질은 한 종류가 아니다. n-타입 및 p-타입의 두 물질들이 모여 소자가 완성되므로, 단일 물질만의 ZT 값은 큰 의미가 없다. 따라서 열전 소자의 ZT 값은 상기 수학식 1의 ZT 값과 달리 아래와 같은 수학식 2로 주어진다.

상기 수학식 2에서 아래첨자 d는 소자를 의미하고, r는 전기저항을 의미한다. 열전 소자의 효율은 상기 ZT_d 값과 비례한다. 상기 수학식 2에 따르면, p-타입과 n-타입 두 물질들의 열기전력(thermopower)의 차이가 크고, 두 물질들의 열전도율(k_{p ,} k_n)과 전기저항(r_{p ,} r_n)이 작을 때 큰 ZT 값을 가질 수 있다. 다음 조건을 만족하는 재료가 큰 ZT 값을 가질 수 있다.

첫째, 열을 전달하는 입자인 포논(phonon)은 움직이기에 어려운 글래시(glassy)한 상태이어야 하고, 전기를 전달하는 입자인 전자는 결정성의 구조를 가지는 상태이어야 한다. 둘째, 물질 내의 캐리어는 전자, 정공 두 가지이고, 물질의 n,p 타입 속성에 따라 어느 하나가 주 캐리어(majority carrier)가 되고, 다른 하나는 종 캐리어(minority carrier)가 된다. 고온에서 활용되기 위해서는, 종 캐리어(minority carrier)의 영향이 최소화되어야 한다. 따라서 물질의 밴드갭이 약 10 k_BT 로 충분히 커야 한다. 셋째, 열적 안정성이 좋아야 한다. 열처리 또는 고온작동 시에, 물질 내의 원자 확산(atomic diffusion)과 전극과의 상호 확산(inter diffusion)에 의한 성능저하가 작아야 하기 때문이다. 넷째, 전기 전도도가 높기 위해 이동도가 큰 캐리어를 가져야 한다. 다섯째, 열전도도는 전자 및 포논이 기여하는 부분들로 구성된다. 전자가 기여하는 부분은 비데만-프란쯔 법칙(Wiedemann-Franz law)에 따라 전기전도도에 비례하고, 포논이 기여하는 부분은 포논의 평균자유경로(mean free path)에 비례한다. 따라서 전기전도도가 크고, 포논의 평균자유경로가 작은 물질이 요구된다.

열전 변환소자의 재료로 Bi, Te, Yb, Pb, Cs, 및 Ge 등의 화합물들이 사용된다. 상기 물질들은 중금속이므로 환경에 악영향을 미치고, 화합물의 합성에너지가 높으며, 모듈 제작 에너지가 높고, 분리 및 재활용이 어렵다는 문제점을 갖는다. 상기 문제점을 피하기 위해 전도성 고분자를 활용하는 방법이 연구되었다. 그러나 전도성 고분자 물질은 열전도도가 낮다는 장점이 있지만, 전기 전도도 역시 낮다는 문제가 있다. 최근에는 실리콘 나노선와 그래핀 등이 연구되고 있다. 기존 물질의 단점을 보완하고, 높은 ZT 값을 가지는 열전소재의 개발이 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 일 과제는 고효율의 열전특성을 가지는 클래딩된 나노선을 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 과제는 상기 클래딩된 나노선을 이용한 열전 소자를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 열전 소자는 제1 접촉부와 제2 접촉부, 상기 제1 접촉부와 상기 제2 접촉부를 연결하는 하나 이상의 클래딩된 나노선을 포함하되, 상기 클래딩된 나노선은 열전 특성 및 전기전도도를 가지는 나노선, 상기 나노선을 둘러싸고, 상기 나노선 보다 열전도도가 낮은 클래딩 층을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 클래딩된 나노선는 열전도도가 낮은 클래딩 층을 이용하여, 전기전도도가 높은 열전 나노선을 둘러싼다. 두 이종 층의 접촉으로 인해, 계면에서 포논 수송에 저항이 생길 수 있다. 상기 저항 때문에, 클래딩된 나노선의 열전도도가 낮아질 수 있다. 상기 클래딩된 나노선의 구조는 중심 나노선의 높은 전기 전도도를 유지하면서, 열전도도를 저하하는 효과가 있을 수 있다. 따라서 상기 클래딩된 나노선이 적용된 열전 소자는 열전 변환 효율이 증가할 수 있고, 높은 열처리 과정을 거치지 않아 비용이 절감될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 클래딩된 나노선의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 클래딩된 나노선이 적용된 열전 소자의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 클래딩된 나노선의 공정순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 클래딩된 나노선이 적용된 열전 소자의 사시도이다.
도 5는 도 4의 측면도이다.

이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다.

도면들에 있어서, 각각의 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 클래딩된 나노선의 사시도이다.

도 1를 참고하면, 클래딩된 나노선(10)은 열전 특성이 있는 나노선(11)을 열전도도가 낮은 클래딩 층(12)이 둘러 싼 구조를 갖는다.

상기 나노선(11)은 비스무스(Bi), 안티몬계 합금(alloy), 실리콘 저마늄(SiGe), 및 실리콘(Si) 등의 무기 반도체 물질이나, 유기물일 수 있다.

상기 클래딩 층(12)은 유기물 또는 무기물 일 수 있다. 상기 나노선(11)을 상기 클래딩 층(12)으로 둘러싸기 위해, 스핀 캐스팅 공정이 이용될 수 있다. 상기 클래딩 층(12)이 무기물인 경우, 증착법 또는 함침(embedded)시키는 방법이 사용될 수도 있다. 상기 클래딩 층(12)으로 전도성 고분자가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 고분자는 폴리티오펜(polythiophene), 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-pheneylenevinylene)), 폴리아닐린(polyaniline) 계열일 수 있다. 상기 전도성 고분자는 전기전도도의 향상을 위해 도핑될 수 있다.

상기 전도성 고분자는 상기 무기 반도체 물질보다 열전도도가 매우 낮고, 절연체인 일반고분자보다는 전기전도도가 높다. 따라서 상기 전도성 고분자는 상기 무기 반도체 물질을 둘러싸는 매질로 적합하다. 상기 전도성 고분자가 상기 무기 반도체 물질을 둘러싸는 구조인 경우에는, 열전도도는 매우 많이 감소하고, 전기전도도는 적게 감소할 수 있다. 상기 클래딩된 나노선(10)은 지름 10nm 내지 100nm로 형성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 클래딩된 나노선이 적용된 열전 소자의 사시도이다.

도 2를 참고하면, 열전 특성을 가진 나노선(11)을 제작하고, 상기 나노선(11)의 양측 말단 일부를 노출하도록 클래딩층(12)을 덮는다. 상기 나노선(11)의 양측 말단을 고온 접촉부(21) 및 저온 접촉부(22)에 연결할 수 있다. 상기 고온 접촉부(21)가 제1 접촉부일 수 있고, 상기 저온 접촉부(22)가 제2 접촉부일 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 클래딩된 나노선의 공정순서도이다.

도 3을 참고하면, 기판을 배치하고(S110), 상기 기판 상에 나노선을 패터닝 공정 등을 통하여 제작한다(S120). 상기 나노선에 클래딩 물질을 증착하여(S130), 상기 나노선에 클래딩 층을 코팅한다(S140). 상기 코팅(S140)으로 클래딩된 나노선이 제작되면(S150), 열처리 공정(S160)을 통하여 클래딩된 나노선의 구조가 안정화될 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 클래딩된 나노선들이 적용된 열전 소자의 사시도이다. 도 5는 도 4의 구조도를 측면에서 바라본 측면도이다.

도 4 및 도 5를 참고하면, 클래딩된 나노선들(10)을 기판(30)위에 배열하고, 상기 클래딩된 나노선들(10)의 양측 말단 중 하나를 고온 접촉부(21)에, 다른 하나를 저온 접촉부(22)에 연결할 수 있다. 상기 고온 접촉부(21)과 상기 저온 접촉부(22)를 포함하는 상기 기판(30)은 상기 클래딩된 나노선(10)으로 연결된다. 상기 고온 접촉부(21)가 제1 접촉부일 수 있고, 상기 저온 접촉부(22)가 제2 접촉부일 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능하므로, 기술적 범위는 실시예에 국한되는 것이 아니라 특허청구범위에 의하여 정해진다.

10: 클래딩된 나노선
11: 나노선
12: 클래딩 층
21: 고온 접촉부
22: 저온 접촉부
30: 기판

Claims (1)

1. 제1 접촉부와 제2 접촉부;
   상기 제1 접촉부와 상기 제2 접촉부를 연결하는 하나 이상의 클래딩된 나노선을 포함하되,
   상기 클래딩된 나노선은 열전 특성 및 전기전도도를 가지는 나노선;
   상기 나노선을 둘러싸고, 상기 나노선 보다 열전도도가 낮은 클래딩 층을 포함하는 열전소자.

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