마이크로 열전 발전 소자 제작을 위한 박막 열전 소재의 특성 개선과 공정 개발

Abstract

본 연구에서는 비스무스 텔루라이드 박막을 이용하여 마이크로 열전 소자를 제작하였으며, 박막으로도 열전 소재의 열 저항을 증가시킬 수 있도록 새로운 구조를 제시하여 경사면을 따라 박막을 형성하였다. 소자를 제작하기 앞서서 텔루륨 분위기에서의 열 처리과정을 통해 박막 열전 소재의 특성을 최적화하였다. 최적화가 진행된 박막을 새롭게 제안하는 마이크로 열전 소자의 구조에 적용하여 소자를 제작하였다. 제작에 앞서서 해당 마이크로 열전 소자의 성능을 시뮬레이션을 통해 검증하였으며, 해당 구조를 완성하기 위해 실리콘 기판에서 파릴렌-C로 소자를 전사하여 기판을 통해 열이 전달되는 현상을 최소화하고, 발전 성능을 높이고자 하였다. 제작된 소자를 이용하여 인위적인 온도 차가 아닌 자연 대류와 강제 대류 상황에서 형성되는 온도 차와 발전 성능을 측정하였다. 자연 대류 상황에서는 0.5 ~ 0.8$^\circ C$의 온도 차, 71.4 mV의 개방회로전압과 약 24 nW/$cm^2$의 전력이 측정되었다. 또한 강제 대류 상황에서는 최대 3.0 ~ 3.9$^\circ C$의 온도 차, 191.6 mV의 개방회로전압과 150.79 nW/$cm^2$의 전력이 측정되었다.