스크린 프린팅 공정을 이용한 고성능 열전소자 제작 기반 기술 연구

Abstract

열전 모듈은 최근 많은 주목을 받아오고 있는 에너지 하베스팅 소자로, 열 에너지를 전기적 에너지로 혹은 그 반대로 전환할 수 있다. 이렇게 발전이나 냉각측면으로 많은 부분에서 적용이 되고 있는 사실에도 불구하고, 열전 소자의 가성비는 항상 문제점으로 대두되어 왔다. 이에 더하여 벌크 형태의 열전 소재를 이용한 열전 소자의 기존 제작 방식은 소자의 대면적화에 적합하지 않다. 본 연구에서는 스크린 프린팅 공정을 바탕으로 p-type $Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_3$과 n-type $Bi_2Te_(2.7)Se_(0.3)$으로 구성된 열전 후막을 형성하였다. 스크린 프린팅 공정을 이용한 열전 후막 형성은 소자의 대면적화와 공정자동화 부문에서 하나의 해결책이 될 수 있다. 그러나 스크린 프린팅 후막은 벌크형태의 열전 소재에 비교할 때, 밀도와 결정성 측면에서 단점을 가진다. 이와 같은 낮은 밀도를 개선하기 위하여 기계적 압력과 함께 추가적인 열처리 공정을 진행하였다. 해당 공정을 통하여 기계적 압력을 적용한 열처리가 캐리어 농도의 조절과 열전 후막의 밀도를 개선시키는 데 중요한 역할을 할 수 있다는 것을 확인하였다. 본 과정에서 밀도와 비등방성 또한 확인해 봄으로써, 비스무스 텔룰라이드 구조에서 ab-평면의 재배열 발생 여부도 확인하였다. 가장 최적화 된 열처리 조건에서, p-type $Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_3$ 열전 후막은 $5.67 g\cdot cm^(-3)$의 밀도와 함께 0.89의 ZT값을 가졌으며, n-type $Bi_2Te_(2.7)Se_(0.3)$ 열전 후막은 $5.68 g\cdot cm^(-3)$의 밀도와 함께 0.58의 ZT값을 나타내었다. 기계적 압력을 0에서 $20 kg \cdot f \cdot cm^(-2)$의 힘까지 가하였을 때, I(0015)/I(015)의 적분 강도 비율은 압착 방향 대비 수직으로 8.9 %에서 11.1%로 증가, 수평으로 10.3 %에서 36.9 %로 증가하였다. 해당 열전 후막을 이용하여 72, 200커플의 열전 발전 소자를 제작하였다. 이 때 72커플 소자는 28K의 온도차에서 0.1 W, 200커플 소자는 동일 온도차에서 0.31 W의 출력을 나타내었다.