KR20140008999A - 금속-절연체 전이 금속을 이용하는 열전소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열전 소자를 개시한다. 열전 소자는, 제 1 전극과, 상기 제 1 전극에 전기적으로 연결된 기판과, 상기 기판 상의 박막과, 상기 박막 상의 제 2 전극을 포함한다. 여기서, 상기 기판과 상기 박막은 임계 온도 이상의 온도에서 반도체 접합보다 높은 열전력의 금속적 특성을 가질 수 있다.
Description
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로 보다 구체적으로 금속-절연체-전이 금속을 이용하는 열전소자에 관한 것이다.
미래 청정에너지의 한 종류로서 폐열을 이용하여 전기를 만들어내는 기존의 방식으로 반도체 pn 접합구조로 만들어지는 열전소자가 있다. 열전 소자는 열을 받으면 열에너지를 전기에너지로 변환시킨다(Seeback Effect). 또한 외부에서 전압이 인가되면, 주위의 온도보다 소자의 온도를 증가 혹은 감소시키기도 한다(Peltier Effect). 그리고 열전효율을 나타내는 지수 ZT=(S2s/k)T로 표시될 수 있다. 여기서 S 는 Seeback 계수이고 s 는 전기전도도이고, k는 열전도도이며, T는 측정하는 온도이다. 예를 들어, ZT 계수가 1 이면 효율이 약 10%이고 2 면 효율이 약 20%로 추정한다. 그리고 지금까지 잘 알려진 열전계수는 ZT=2.5 정도로서 Bi2Te3/Sb2Te3 의 초격자 구조에서 ZT 관측되었다. 그리고 세라믹 p-Si 와 n-Si의 접합으로 이루어진 열전소자는 상용으로 판매되고 있다. 그리고 자동차가 주행 중에 라디에이터의 온도는 200oC 근방까지 올라가며, 또한 보일라에서는 100oC의 폐열이 많다. 그래서 약 200oC 이하의 폐열에 큰 시장이 있어서 보다 고효율의 열전소자의 개발이 필요해 졌다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 금속-절연체 전이 (Metal-Insulator Transition: MIT) 금속을 이용한 열전 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는, 반도체 열전소자 보다 높은 고효율의 열전 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자는, 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 전기적으로 연결된 기판; 상기 기판 상의 박막; 및 상기 박막 상의 제 2 전극을 포함한다. 여기서, 상기 기판과 상기 박막은 임계 온도 이상의 온도에서 반도체 접합보다 높은 열전력의 금속적 특성을 각각 갖고, 상기 금속적 특성에서 나타나는 일함수의 차이가 온도 증가에 따라 증가될 수 있다. 상기 기판과 상기 박막은 금속-절연체 전이 (Metal-Insulator Transition; MIT) 금속 특성을 내는 기판과 박막으로서 반도체 보다 많은 캐리어를 가져서 반도체 기판과 박막으로 이루어진 열전소자 보다 높은 열전특성을 갖는다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 기판은 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 실리콘은 도전성 불순물로 도핑될 수 있다. 상기 도전성 불순물은 보론(boron) 또는 갈륨(gallium)의 억셉터와, 아세닉 또는 인(phosphorus)의 도너 중 어느 하나일 수 있다. 상기 억셉터 또는 상기 도너는 상기 실리콘 내에 nc=1018 cm-3 이하로 농도로 도핑될 수 있다. 본 발명의 다른 실시 에에 따르면, 상기 박막은 금속 절연체 전이(Metal-Insulating transition) 물질을 포함할 수 있다. 상기 금속 절연체 전이 물질은 VO2 또는 V2O3의 바나듐 산화물을 포함할 수 있다. 상기 VO2는 67도씨(℃)에서 상기 금속적 특성을 가질 수 있다. 상기 V2O3는 150도케이(K)에서 상기 금속적 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 금속적 특성은 상기 금속 절연체 전이 물질과, 상기 기판 사이의 열전류 및 열전압으로부터 계측될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 박막은 강상관 금속을 포함할 수 있다. 상기 강상관 금속은 알려진 YBa2Cu3O7 또는 MgB2를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 박막은, 산소, 탄소, 반도체 원소(III-V족, II-VI족), 전이금속원소, 희토류원소, 란탄계 원소들을 포함하는 저 농도의 정공이 첨가된 무기 화합물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 유기물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 반도체, 및 저 농도의 정공이 첨가된 산화물 반도체 및 절연체 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 제 1 전극은 상기 기판의 상부 또는 아래에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 불순물로 도핑된 실리콘 기판 상에 금속 절연체 전이(MIT: Metal Insulator Transition) 물질의 박막을 포함할 수 있다. 불순물로 도핑된 실리콘 기판과, 금속 절연체 전이 물질의 박막은 상온보다 높은 고온에서 반도체 pn 접합보다 높은 열전력의 금속적 특성을 가질 수 있다. 일반적인 실리콘 내의 pn 접합은 0.1mW/cm2이하의 열전력을 가질 수 있다. 반면, 실리콘 기판과 금속 절연체 전이 물질의 접합은 1.0mW/cm2이상의 열전력을 나타낼 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자는 반도체 특성을 내는 반도체 pn 접합 열전소자 보다 고효율로 동작될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자를 나타내는 단면도들이다.
도 3 및 도 4는 VO2와 V2O3의 금속-절연체 전이를 나타내는 그래프들이다.
도 5 및 도 6은 결정 실리콘의 기판의 금속 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 7은 온도 변화에 따른 VO2 MIT 박막 열전력(thermopower, Seebeck) 계수를 나타낸다.
도 8은 온도에 따른 일 함수를 나타내는 그래프이다.
도 9는 기판과 박막의 파워 펙터를 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도 11 은 VO2의 금속 절연체 전이 물질의 박막(30)을 구비한 열전 소자의 열전류 및 열전압 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 12 및 도 13은 V2O3의 금속 절연체 전이 물질의 박막을 구비한 열전 소자의 열전류 및 열전압 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 14는 종래의 결정 실리콘의 pn 접합 열전 소자의 전력을 나타내는 그래프들이다.
도 3 및 도 4는 VO2와 V2O3의 금속-절연체 전이를 나타내는 그래프들이다.
도 5 및 도 6은 결정 실리콘의 기판의 금속 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 7은 온도 변화에 따른 VO2 MIT 박막 열전력(thermopower, Seebeck) 계수를 나타낸다.
도 8은 온도에 따른 일 함수를 나타내는 그래프이다.
도 9는 기판과 박막의 파워 펙터를 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도 11 은 VO2의 금속 절연체 전이 물질의 박막(30)을 구비한 열전 소자의 열전류 및 열전압 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 12 및 도 13은 V2O3의 금속 절연체 전이 물질의 박막을 구비한 열전 소자의 열전류 및 열전압 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 14는 종래의 결정 실리콘의 pn 접합 열전 소자의 전력을 나타내는 그래프들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자를 나타내는 단면도들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 열전 소자는, 기판(10), 제 1 전극(20), 박막(30), 및 제 2 전극(40)을 포함할 수 있다.
제 1 전극(20) 및 제 2 전극(40)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 또는 아연(Zn)과 같은 금속을 포함할 수 있다. 제 1 전극(20)은 기판(10)의 상부 또는 아래에 배치될 수 있다. 제 1 전극(20)과 제 2 전극(40)은 기판(10) 및 박막(30)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 전극(20)은 박막(30) 및 제 2 전극(40)으로부터 이격될 수 있다. 제 2 전극(40)은 박막(30) 상에 배치될 수 있다.
기판(10)은 p형(type) 또는 n형의 도전성 불순물로 도핑된 결정 실리콘을 포함할 수 있다. p형의 도전성 불순물은 보론(boron) 또는 갈륨(gallium)의 억셉터를 포함할 수 있다. n 형의 도전성 불순물은 아세닉(arsenic) 또는 인(phosphorus)의 도너를 포함할 수 있다. p형 또는 n형의 도전성 불순물은 결정 실리콘 내에 약 1018 EAcm-3의 저농도로 도핑될 수 있다. 이것은 어떤 물질에서 MIT가 일어나는 임계 캐리어에 상당하는 것으로 모트의 MIT 기준 n=(0.25/aH)-(1/3)=1018 cm-3 정도이다. aH는 수소반경이다.
박막(30)은 VO2와 V2O3와 같은 금속-절연체 전이 (Metal-Insulator transition: MIT) 물질을 포함할 수 있다. VO2와 V2O3는 임계 온도 이상에서 금속적 특성을 가질 수 있다.
도 3 및 도 4는 VO2와 V2O3의 금속-절연체 전이를 각각 나타내는 그래프들이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 금속-절연체 전이 물질은 임계온도에서 저항이 급격히 떨어지는 특성을 가질 수 있다. VO2는 약 67℃(340K 근방)의 임계온도에서 큰 저항의 변화를 보이고 금속적 특성을 보이는 전형적 금속 절연체 전이 물질이다(도 3). V2O3는 약 150K의 임계온도에서 큰 저항변화를 보이며, 금속적 특성을 보이는 금속 절연체 전이 물질이다(도 4). 박막(30)은 약 90nm 이상의 두께를 가질 수 있다. 박막(30)과 기판(10)은 임계온도 이상의 온도에서 pn 접합(junction)을 가질 수 있다. 박막(30)과 기판(10)의 접합은 일함수(work function)의 차이가 반도체 pn 접합보다 월등히 클 수 있다. 또한, 기판(10)과 박막(30)은 임계온도보다 높은 온도에서 반도체 pn 접합 보다 높은 열전력의 금속적 특성을 가질 수 있다.
도 5 및 도 6은 결정 실리콘의 기판(10)의 금속 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 결정 실리콘의 기판(10)은 온도증가에 따라 저항이 증가하고(도 5), 열전력(thermopower, Seebeck 계수가 증가하는(도 6) 일반적인 금속 특성을 보여주고 있다. 결정 실리콘 기판(10)의 금속특성은 지금까지 알려진 온도 증가에 따라 저항이 감소하는 반도체 특성과는 완전히 다른 캐리어 도핑에 의해 나타나는 MIT 금속특성이다.
도 7은 온도 변화에 따른 VO2 MIT 박막(30) 열전력(thermopower, Seebeck) 계수를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 기판(10) 상의 박막(30)은 MIT 전이온도 위에서 큰 Thermopower (Seebeck 계수, S)를 낸다. 일반적으로 금속의 Seebeck 계수 ,S, 는 20 ~ 40 정도이나 여기서는 360K 이상에서 150이상을 보여준다.
도 8은 온도에 따른 일 함수를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 열전소자는 온도가 증가면서 기판(10)과 박막(30)의 일함수 (Workfunction)의 차이가 점점 증가하는 특징을 가질 수 있다.
도 9는 기판(10)과 박막(30)의 파워 펙터를 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에서의 파워팩터는 기존에 알려진 값보다 훨씬 높은 값이 관측되었다. 파워팩터는 P=S2/r 로 주어지는 데, 여기서 S 는 Seebeck 계수이고, r은 비저항(resistivity) 이다. 박막형 열전소자의 특성을 평가할 때는 파워 팩터의 크기로 결정한다 본 발명의 핵심은 p형 캐리어를 갖는 금속 특성을 내는 기판과 n형 캐리어로 금속 특성을 내는 MIT 박막으로 결합된 pn 접합 열전소자이다. 그러나 같은 형의 캐리어를 같는 두 금속의 결합으로 구성되되 두 금속의 일 함수의 차이가 온도증가에 따라 증가하는 것을 포함한다. 예를 들면, nn 접합, pp 접합을 의미한다.
도 10 및 도 11 은 VO2의 금속 절연체 전이 물질의 박막(30)을 구비한 열전 소자의 열전류 및 열전압 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 열전류는 약 70℃ 에서 크게 증가될 수 있다. 열 전압은 낮은 저항에서 줄어들지만, 높은 저항에서 증가되어 나타날 수 있다. 여기서, 기판(10)은 p형의 도전성 불순물에 의해 약 1018EAcm-3의 저농도로 도핑되어 있다. VO2 의 박막(30)은 약 100nm 정도의 두께와, 5 x 5 mm2의 면적을 가질 수 있다. 도 10과, 도 11의 샘플 번호 6번은 100℃의 고온에서 1.12 mW/cm2, 샘플번호 7번은 1.00 mW/cm2 의 전력(Power= 전류 x 전압)을 가질 수 있다.
도시되지는 않았지만, 270도C에서 VO2 MIT 소자의 열전력은 약 240 mW/cm2 로 측정되었다. 이것은 지금까지 알려진 Bi-Sb-Te 박막에서 얻어진 0.441 mW/cm2 보다 훨씬 높은 값이다. 이는 MIT 금속을 이용하는 MIT 열전소자가 반도체 열전소자 보다 훨씬 고효율임을 보여준다.
도 12 및 도 13은 V2O3의 금속 절연체 전이 물질의 박막(30)을 구비한 열전 소자의 열전류 및 열전압 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 열전류는 약 85℃에서 급격히 증가될 수 있다. 또한 열전압은 온도에 비례하여 증가될 수 있다. 마찬가지로, 박막(30)은 5 x 5 cm2 의 면적을 가질 수 있다. 100℃에서 샘플번호 4번은 열전 전력이 6.93 mW/cm2 이고 5번은 8.68 mW/cm2 이다.
도 14는 종래의 결정 실리콘의 pn 접합 열전 소자의 전력을 나타내는 그래프들로서, 일반적인 실리콘 pn 접합에서의 열전전력은 535K에서 0.03 mW/cm2, 596K에서 0.19 mW/cm2 이다. 실리콘 pn 접합은 p형의 실리콘 기판 상에 n형의 실리콘 박막이 형성된 것이다. 실리콘 기판과 실리콘 박막은 가로 30mm 및 세로 20mm 길이를 각각 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 실리콘과, 금속 절연체 전이 물질의 접합에서는 적어도 1.0mW/cm2이상의 열전전력이 나타날 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자는 실리콘 열전 소자보다 월등히 높은 열전력의 고효율을 가질 수 있다. 열전 소자는 큰 전류와 큰 전압을 얻기 위해 직병렬로 연결되어 폐열을 수집할 수 있다.
도 1 및 도 2를 재차 참조하면, 박막(30)은 상온보다 낮은 저온에서 금속특성을 내는 박막은 강상관 금속으로 알려진 YBa2Cu3O7, MgB2를 초전도 재료를 포함할 수 있다.
마지막으로, 박막(30)은 산소, 탄소, 반도체 원소(III-V족, II-VI족), 전이금속원소, 희토류원소, 란탄계 원소들을 포함하는 저 농도의 정공이 첨가된 무기물 화합물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 유기물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 반도체, 및 저 농도의 정공이 첨가된 산화물 반도체 및 절연체 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 기판 20: 제 1 전극
30: 박막 40: 제 2 전극
.
30: 박막 40: 제 2 전극
.
Claims (16)
- 제 1 전극;
상기 제 1 전극에 전기적으로 연결된 기판;
상기 기판 상의 박막; 및
상기 박막 상의 제 2 전극을 포함하되,
상기 기판과 상기 박막은 임계 온도 이상의 온도에서 반도체 접합보다 높은 열전력의 금속적 특성을 각각 갖고, 상기 금속적 특성에서 나타나는 일함수의 차이가 온도 증가에 따라 증가되는 열전 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판과 상기 박막에서 전달되는 각각의 캐리어들은 서로 반대형 인 것을 특징으로 하는 열전소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판과 박막에서 전달되는 각각의 캐리어들은 서로 같은형 인 것을 특징으로 하는 열전소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 실리콘을 포함하는 열전 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 실리콘은 도전성 불순물로 도핑된 열전 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 도전성 불순물은 보론(boron) 또는 갈륨(gallium)의 억셉터와, 아세닉 또는 인(phosphorus)의 도너 중 어느 하나인 열전 소자. - 제 6 항에 있어서,
상기 억셉터 또는 상기 도너는 상기 실리콘 내에 1018 cm-3 정도로 도핑된 열전 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 박막은 금속 절연체 전이(Metal-Insulating transition) 물질을 포함하는 열전 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 금속 절연체 전이 물질은 VO2 또는 V2O3의 바나듐 산화물을 포함하는 열전 소자. - 제 9 항에 있어서,
상기 금속적 특성은 상기 금속 절연체 전이 물질과, 상기 기판 사이의 열전류 및 열전압으로부터 계측되는 열전 소자. - 제 9 항에 있어서,
상기 VO2는 67도씨(℃)에서 상기 금속적 특성을 갖는 열전 소자. - 제 9 항에 있어서,
상기 V2O3는 150도케이(K)에서 상기 금속적 특성을 갖는 열전 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 박막은 강상관 금속을 포함하는 열전 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 강상관 금속은 알려진 YBa2Cu3O7 또는 MgB2를 포함하는 열전 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 박막은, 산소, 탄소, 반도체 원소(III-V족, II-VI족), 전이금속원소, 희토류원소, 또는 란탄계 원소들을 포함하는 저 농도의 정공이 첨가된 무기 화합물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 유기물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 반도체, 및 저 농도의 정공이 첨가된 산화물 반도체 및 절연체 중에서 적어도 하나를 포함하는 열전 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 상기 기판의 상부 또는 아래에 배치된 열전 소자.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180100025A (ko) * | 2017-02-28 | 2018-09-06 | 한국전자통신연구원 | 금속-절연체 전이 물질을 포함하는 반도체 소자 |
| KR20190084795A (ko) | 2018-01-09 | 2019-07-17 | 서울시립대학교 산학협력단 | 유기반도체 열전소자 및 그 제조방법 |
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| US5264075A (en) * | 1992-11-06 | 1993-11-23 | Ford Motor Company | Fabrication methods for silicon/glass capacitive absolute pressure sensors |
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| KR20070040709A (ko) * | 2005-10-12 | 2007-04-17 | 한국전자통신연구원 | 급격한 ｍｉｔ 소자를 이용한 온도센서 및 그 센서를포함한 경보기 |
-
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- 2013-01-14 KR KR1020130003890A patent/KR102031961B1/ko active IP Right Grant
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