미세 열에너지 하비스팅용 열전박막소자의 형성공정 및 발전특성
오태성†
홍익대학교 공과대학 신소재공학과
Fabrication Process and Power Generation Characteristics of Thermoelectric Thin Film Devices for Micro Energy Harvesting
Tae Sung Oh†
Department of Materials Science and Engineering, Hongik University, 94, Wausan-ro, Mapo-gu, Seoul 04066, Korea (Received September 27, 2018: Corrected September 28, 2018: Accepted September 29, 2018)
초 록: 두께 2.5~10 μm인 n형 Bi2Te3와 p형 Sb2Te3레그 8쌍으로 구성되어 있는 in-plane형 열전박막소자를 전기도금 법으로 Si submounts에 형성하고, LED 칩의 구동에 의해 발생하는 겉보기 온도차 ΔT와 레그 두께에 따른 발전특성을 분석하였다. LED 방출열에 의해 인가된 ΔT가 7.4K일 때 각기 두께 2.5 μm, 5 μm 및 10 μm의 p-n 레그들로 구성된 열 전박막소자는 6.1 mV, 7.4 mV 및 11.8 mV의 open circuit 전압을 나타내었으며, 6.6 nW, 12.8 nW 및 41.9 nW의 최대 출 력전력을 나타내었다.
Abstract: Thermoelectric thin film devices of the in-plane configuration consisting of 8 pairs of n-type Bi2Te3 and p- type Sb2Te3 legs were processed on Si submounts by electrodeposition. The thermoelectric generation characteristics of the thin film devices were investigated with respect to the apparent temperature difference ΔT caused by LED lighting as well as the change of the leg thickness. When ΔT was 7.4 K, the open circuit voltages of 6.1 mV, 7.4 mV, and 11.8 mV and the maximum output powers of 6.6 nW, 12.8 nW, and 41.9 nW were measured for the devices with the thermoelectric legs of which thickness were 2.5μm, 5 μm, and 10 μm, respectively.
Keywords: thermoelectrics, energy harvesting, LED, thin films, electrodeposition
1. 서 론
최근 의료나 각종 산업분야에서 사용되고 있는 웨어러 블 기기, 무선센서 네트워크, body area network (BAN), 자 율형 모니터링 기기의 전력소비량이 크게 낮아짐에 따라 인체나 각종 장비 또는 구조물에서 발생하는 마이크로 열 에너지나 진동에너지를 전기에너지로 회수하고 이를 자 율형 기기나 독립형 기기의 밧데리를 보조하기 위한 이 차전원으로 이용하고자 하는 연구들이 활발히 진행되고 있다.1-6)
열전박막소자는 인체열과 같은 미세 열원을 사용한 발 전이 가능하고 열전박막을 미세화 시켜 작은 온도차에서 도 큰 출력전압과 높은 전력밀도를 얻는 것이 가능하기 때문에 마이크로 에너지 하비스팅 발전장치의 하나로서 각광을 받고 있다.1,7-9)발열이 많이 발생하는 전자 소자
의 일례로는 HP LED (high-power light-emitting diode)를 들 수 있다.1,10,11) HP LED 칩은 발열에 의해 온도가 상승 하면 특성과 신뢰성이 나빠지기 때문에, 발열을 억제하 며 방열특성을 개선하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있
다.12-15) 그러나 현재의 기술수준에서는 LED 칩의 광변환
효율이 20% 정도로 구동시 상당한 발열이 발생한다고 보 고되고 있어,10) LED 칩의 발열을 마이크로 에너지 하비 스팅용 열원으로 사용하고자 하는 다양한 연구들이 진행 되고 있다.1,10,11)
열전소자 또는 열전모듈은 열과 전기의 이동 방향에 따 라 in-plane형 소자와 cross-plane형 소자로 구분된다.16,17) 열과 전기가 기판에 수직한 방향으로 이동하는 구조를 갖 는 cross-plane형 소자는 기판을 통한 기생 열전도가 없어 효율이 높고 열전 레그(leg)의 길이가 짧아 소자 내부저 항이 작다는 장점이 있다. 그러나 열전박막을 이용한
†Corresponding author E-mail: [email protected]
© 2018, The Korean Microelectronics and Packaging Society
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cross-plane형 열전소자의 경우 수십 μm 두께의 열전박막 을 형성하는데 장시간의 공정이 요구되며 열전박막과 전 극간의 전기적 접속을 형성하기 어려운 문제점이 있다.
In-plane형 소자는 열과 전기의 이동이 기판에 수평한 방 향으로 이루어지는 구조로서 기판을 통한 기생 열전달에 의해 효율이 낮으며, 레그 단면적이 작아 내부 저항이 크 다는 단점이 있다. 그러나 소자 형성공정이 간단하며, 박 막 두께가 몇 μm으로 얇아 박막공정시간이 짧고 열전 레 그와 전극과의 전기적 컨택 형성이 용이하다는 장점이 있 어, 마이크로 열전센서나 열전발전소자에 많이 적용되고 있다.16,17)
인체열이나 기계 방출열과 같이 상온 부근의 열원을 이 용하는 마이크로 에너지 하비스팅용 열전박막으로는 상 온에서 에너지 변환효율이 우수한 n형 Bi2Te3와 p형 Sb2Te3가 주로 사용되고 있다.1,16-19) 이들 이원계 합금은 삼원계 p형 (Bi,Sb)2Te3와 n형 Bi2(Te,Se)3에 비해 열전특 성은 떨어지나, 박막 조성의 조절이 삼원계보다 용이하 기 때문에 열전박막소자의 형성에 일반적으로 사용되고 있다. Bi2Te3와 Sb2Te3 열전박막은 MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy), co-sputtering, 진공증착, 전기도금 등과 같이 다양한 공정 기술을 사용하여 형성할 수 있다.16-19) 이중에서 전기도금 법은 MOCVD, MBE, 스퍼터링이나 진공증착법과 같은 고가의 장비가 필요하지 않은 저가공정으로, 시스템 구 성이 간단하며 대형화가 용이하다는 장점이 있다.1)
본 연구에서는 LED 칩의 방출열을 이용한 열전박막소 자의 마이크로 에너지 하비스팅 특성을 연구하였다. 이 를 위해 전기도금법을 사용하여 n형 Bi2Te3와 p형 Sb2Te3 열전 레그들로 구성된 in-plane형 열전박막소자를 LED 칩 의 Si submount에 형성하고, 열전박막소자의 고온단과 저 온단 사이의 겉보기 온도차 ΔT 및 레그의 두께에 따른 발 전특성을 분석하였다.
2. 실험 방법
중앙의 LED 칩을 중심으로 각 변에 2개, 총 8개의 p-n 쌍으로 구성되어 있는 열전박막소자의 공정순서도를 Fig.
1에 나타내었다. 열전박막소자를 형성하고 그 가운데 LED 칩을 실장하기 위한 submount 기판으로는 100 nm 두께의 SiO2 층이 형성된 두께 525 μm의 p형 (100) Si 웨 이퍼를 1 cm × 1 cm 크기로 잘라 사용하였다. Si 기판을 아세톤, 알콜, 증류수의 순서로 세척하고 건조 후, 그 위 에 Fig. 1(a)와 같이 Bi2Te3와 Sb2Te3레그의 전기도금용 씨 앗층으로 사용하기 위해 1 μm 두께의 Ti를 스퍼터링하였 다. 포토레지스트 패터닝 후에 7 mM TeO2, 63 mM Sb2O3, 0.35 M tartaric acid 및 3.5 M perchloric acid로 이루어진 도금용액 내에서 1.25 mA/cm2의 전류밀도로 2.5~10 μm 두께의 Sb2Te3를 전기도금한 후 포토레지스트를 제거하 여 Fig. 1(b)와 같은 p형 레그들을 형성하였다. 그런 다음
에 n형 Bi2Te3 레그용 포토레지스트 패턴을 형성하고, 25 mM Bi2O3, 25 mM TeO2 및 1 M HNO3 조성의 전해질 내에서 1.25 mA/cm2의 전류밀도로 Fig. 1(c)와 같이 2.5~
10μm 두께의 n형 Bi2Te3 레그들을 전기도금하였다. 이와 같이 형성한 p형 Sb2Te3와 n형 Bi2Te3 레그들의 폭은 0.15 mm이며 길이는 2.7 mm 이다. 그런 다음에 Ti 전기 도금 씨앗층을 에칭하고 열전박막소자의 중앙 부위에 LED 칩을 Ag 페이스트를 사용하여 실장시켜 Fig. 1(d)와 같은 시편을 완성하였다.
열전박막소자와 LED 칩이 실장된 Si submount를 Ag 페이스트를 사용하여 Cu 힛싱크에 부착한 후, LED 칩에 각기 350 mA, 700 mA, 1050 mA의 전류를 인가하여 발광 시키고 이에 따른 LED 칩의 발열에 의한 열전박막소자 의 열전특성을 측정하였다. 이를 위해 각 인가전류에서 LED 칩의 온도가 정상상태에 도달한 후에 외부저항을 조 절하며 열전박막소자에서 발생하는 전압과 전력을 측정 하였다. 열전소자의 고온단과 저온단의 온도는 열화상 카 메라 FLIR i40을 사용하여 측정하였다.
1 cm× 1 cm 크기의 Si 기판의 전체 면적에 1 μm 두께 의 Ti 씨앗층을 스퍼터링한 후 열전소자의 레그 도금과 동일한 조건으로 Ti 씨앗층 전면에 1 cm × 1 cm 크기의 Bi2Te3 박막과 Sb2Te3 박막을 전기도금하였다. Bi2Te3 박 막/Ti와 Sb2Te3 박막/Ti의 Seebeck 계수를 상온에서 20 K 의 온도차를 인가하며 측정하였으며, 면저항을 Four Point Probe법을 사용하여 측정하였다. 이들 박막/Ti 구조의 Seebeck 계수와 면저항으로부터 각기 식 (1), 식 (2) 및 식 (3)을 이용하여 Bi2Te3와 Sb2Te3 박막의 면저항과 전기비 Fig. 1. Schematic illustration of the process steps to fabricate the thermoelectric thin film device. (a) sputtering of the Ti seedlayer on the Si submount, (b) electrodeposition of the p-type Sb2Te3 legs, (c) electrodeposition of the n-type Bi2Te3 legs, (d) removal of the Ti metallization and bonding of an LED chip to the Si submount.
저항 및 Seebeck 계수를 계산하였다. 식 (1)에서 Rf는 열 전박막의 면저항, RTi는 전기도금 씨앗층인 Ti의 면저항, Rtot는 열전박막/Ti 이중층의 면저항이며, 식 (2)에서 ρf와 t는 각기 열전박막의 비저항과 두께이다. 식 (3)에서 αf, αTi와 αtot은 각기 열전박막, Ti 및 열전박막/Ti 이중층 (two layer)의 Seebeck 계수이다.1,19,20)
(1)
ρf=Rf/t (2)
(3)
3. 결과 및 고찰
Table 1에 박막 두께에 따른 Bi2Te3/Ti와 Sb2Te3/Ti의 Seebeck 계수와 면저항의 측정값을 나타내었으며,16) Table 2에는 식 (1), 식 (2) 및 식 (3)을 사용하여 계산한 Bi2Te3 와 Sb2Te3 박막의 면저항과 전기비저항 및 Seebeck 계수 를 나타내었다. Table 2에 있는 열전박막 특성을 산출하 는데 사용한 이중층 모델에서는 박막/Ti 계면에서 열이동 이나 전류의 이동이 없으며, 열전박막의 면저항이 Ti 씨 앗층에 비해 40% 이하 (Rf/Rs< 0.4)로 작기 때문에 박막
/Ti 이중층 구조에서 열과 전류가 주로 열전박막을 통해 흐르는 것을 가정한다. Table 2에 나타낸 바와 같이 2.2~
20.5μm 두께의 Sb2Te3 박막의 면저항이 Ti 씨앗층보다 크거나 유사하기 때문에, Seebeck 계수와 전기비저항이 이중층 모델의 유효조건을 만족하지 못하였다. 반면 Bi2Te3 박막에서는 2.5 μm을 제외한 다른 두께의 박막들 은 이중층 모델의 유효조건을 만족하였으며, 두께에 따 른 Seebeck 계수와 전기비저항이 거의 일정한 값을 유지 하였다.
Table 1에 있는 동일 두께의 Bi2Te3/Ti와 p형 Sb2Te3/Ti 의 Seebeck 계수를 합하여 p-n 박막/Ti 한 쌍의 Seebeck 계 수를 구하였으며 이를 Fig. 2에 나타내었다. 열전박막의 두께가 증가할수록 p-n 박막/Ti 쌍의 Seebeck 계수가 높 아지는 경향을 나타내었다. Seebeck 계수는 시편의 두께 에 영향을 받지 않는 재료상수이다. 따라서 Fig. 2에 나타 낸 박막 두께에 따른 Seebeck 계수의 변화는 두께에 따라 Bi2Te3와 Sb2Te3 열전박막의 Seebeck 계수가 변하기 때문 이기 보다는 박막의 두께가 바뀜에 따라 박막과 Si 기판 을 통한 열전도 비율이 달라지는데 기인한 것으로 판단 Rf RTi×Rtot
RTi–Rtot
---
=
αf (RTi+Rf) α× tot–Rf×αTi
RTi
---
=
Fig. 2. Seebeck coefficient of a pair of p-type Sb2Te3 film/Ti and n-type Bi2Te3 film/Ti as a function of the film thickness.
Table 1.Seebeck coefficients and sheet resistances of the Bi2Te3/ Ti and Sb2Te3/Ti double layers
Ti thickness (μm)
Film thickness
(μm)
Seebeck coefficient
(μV/K)
Sheet resistance
(Ω)
Ti 1 - −2.3 6.51
Bi2Te3/Ti 1
2.5 −51.8 1.96
5.3 −55.3 1.08
11.5 −59.5 0.55
20.2 −59.8 0.35
Sb2Te3/Ti 1
2.2 276 4.27
4.1 386 5.07
11.4 441 3.11
20.5 485 2.31
Table 2. Sheet resistances, resistivities, and Seebeck coefficients of the Bi2Te3 and Sb2Te3 films Film thickness
(μm)
Sheet resistance (Ω)
Resistivity (mΩ·cm)
Seebeck coefficient (μV/K)
Sheet resistance ratio (Rf/RTi)
Bi2Te3/Ti
2.5 2.8 0.70 −67 0.43
5.3 1.3 0.68 −64 0.20
11.5 0.6 0.69 −64 0.09
20.2 0.4 0.75 −63 0.06
Sb2Te3/Ti
2.2 12.4 2.74 458 1.91
4.1 23.0 9.42 690 3.53
11.4 6.0 6.81 654 0.92
20.5 3.6 7.37 660 0.55
된다. Table 1의 박막/Ti 이중층은 열흐름에 대해 Si 기판 과 병렬연결된 구조이며, 크기는 Si 기판과 동일한 1 cm × 1 cm이나 열전도도와 두께에서 Si 기판과 큰 차이를 갖 는다. Si 기판의 두께가 525 μm인 반면 열전박막의 두께 는 2.5~20 μm 이며, Si의 열전도도가 148 W/m·K인데 비 해 Bi2Te3 박막과 Sb2Te3 박막은 이보다 훨씬 낮은 1.3 W/
m·K와 0.76~3.7 W/m·K의 열전도도를 갖는다.1,22-25)고온 단에서 저온단으로 병렬연결된 열전달 통로로서 Si 기판 의 단면적과 열전박막의 단면적 비 Afilm/Asi는 2 × 10−3t가 된다. 여기서 t는 열전박막의 두께이다. Afilm/Asi가 매우 작 으며 Si과 열전박막의 열전도도가 크게 차이가 나기 때
문에 열이 주로 Si 기판을 통해 고온단에서 저온단으로 흐르게 된다. 열전박막의 두께가 두꺼워지면 Afilm/Asi가 증 가하게 된다. 따라서 열전박막의 고온단과 저온단의 사 이에 동일한 겉보기 온도차 ΔT = 20K를 인가하더라도 열 전박막의 두께가 증가할수록 열전박막을 통해 이동하는 열량이 증가하기 때문에 Seebeck 계수의 측정값이 Fig. 2 에서와 같이 증가한 것으로 판단된다.
각기 350 mA, 700 mA 및 1,050 mA를 인가하여 LED를 구동시 열전박막소자의 고온단과 저온단에서 측정한 온 도를 Fig. 3에 나타내었다. LED 구동전류를 350 mA에서 1,050 mA로 증가시킴에 따라 고온단과 저온단 사이의 겉 Fig. 3. Temperatures at hot and cold ends of the thin film devices
as a function of the LED current applied to lighten the LED chip.
Fig. 4. Output voltage-current characteristics of the thin film devices processed with the 2.5μm-thick p-n legs.
Fig. 5. Output voltage-current characteristics of the thin film devices processed with the 5μm-thick p-n legs.
Fig. 6. Output voltage-current characteristics of the thin film devices processed with the 10μm-thick p-n legs.
보기 온도차 ΔT가 1.6K에서 7.4K로 증가하였다. 두께 2.5μm, 5 μm 및 10 μm인 Bi2Te3와 Sb2Te3 레그들로 형성 된 열전박막소자의 양단간에 Fig. 3의 겉보기 온도차를 인가하며 측정한 출력전압을 각기 Figs. 4-6에 나타내었 다. 각 두께의 열전 레그들로 구성된 소자에서 ΔT가 증 가함에 따라 출력전압이 증가하였다.
Fig. 4에서 Fig. 6에 있는 출력전압 특성에서 αp-n=Voc/ ΔT의 관계식을 이용하여 열전박막소자의 p-n 레그/Ti 한 쌍의 Seebeck 계수 αp-n를 분석하여 Fig. 7에 나타내었다.
이 관계식에서 Voc는 열전박막소자의 open circuit 전압이 다. Fig. 2에 나타낸 p-n 박막/Ti 쌍의 Seebeck 계수와 마 찬가지로 Fig. 7에서도 레그 두께가 증가할수록 p-n 레그 /Ti 쌍의 Seebeck 계수가 높아지는 경향을 나타내었다. 이 와 같은 결과는 겉보기 온도차 ΔT는 LED 구동전류에 의 해 결정되며 레그 두께에는 무관하나, 실제 레그를 통해 고온단에서 저온단으로 이동하는 열량이 레그 두께에 따 라 증가하기 때문으로 판단된다. Fig. 1에 있는 열전박막 소자의 구조에서 열전 레그들의 크기는 폭 0.15 mm, 길 이 2.7 mm, 두께 2.5~10 μm이다. 고온단에서 저온단으로 병렬 연결된 열전달 통로로서 Si 기판의 단면적과 8쌍 레 그들의 단면적 비 Adevice/ASi를 구하면 2 × 10−4t로 표현할 수 있다. 여기서 t는 열전박막 레그의 두께이다. Adevice/ASi
가 매우 작고 Si과 열전 레그들의 열전도도가 크게 차이 가 나기 때문에 LED 칩에서 발생한 열이 거의 Si 기판을 통해 고온단에서 저온단으로 이동하며, 열전 레그의 두 께 증가에 따라 레그들을 통해 이동하는 열량이 증가하 기 때문에 Fig. 7과 같이 Seebeck 계수의 측정값이 증가 한 것으로 판단된다. In-plane형 열전박막소자에서 Si submount를 통한 심한 기생 열전달에 의해 소자 레그들 에 인가되는 실제 온도차 ΔTG는 고온단과 저온단의 측정
온도로부터 구한 겉보기 온도차 ΔT의 1/15~1/20 정도로 작아질 것으로 예측되었다.1) Fig. 2와 Fig. 7의 비교에서 와 같이 1 cm × 1 cm 크기의 p-n 박막/Ti 쌍의 Seebeck 계 수가 p-n 레그/Ti 쌍의 Seebeck 계수보다 더 높게 나타났 다. 열전달 통로로서 Si 기판과 열전박막의 단면적 비 Afilm/ Asi는 2 × 10−3t으로 열전박막소자에서의 단면적 비 Adevice/ ASi 보다 큰 값을 갖기 때문에 동일한 두께에서 박막/Ti 쌍 이 레그/Ti 쌍보다 더 큰 Seebeck 계수를 나타내는 것으 로 사료된다.
Fig. 4에서 Fig. 6에 있는 출력전압 특성을 사용하여 열 전박막소자의 저항을 분석하여 Fig. 8에 나타내었다. 레 그 두께를 2.5 μm에서 10 μm로 증가시킴에 따라 소자 저 항이 1.46 kΩ에서 0.79 kΩ으로 감소하였으며, 레그의 두 께가 동일한 경우에는 ΔT에 따른 소자 저항의 변화는 거 의 없는 것으로 판단된다. 테스터를 사용하여 측정한 열 전박막소자의 저항은 레그의 두께가 각기 2.5 μm, 5 μm, 10μm일 때 1.45 KΩ, 1.07 KΩ, 0.83 kΩ으로 Fig. 8에 나타 낸 출력전압 특성으로부터 구한 소자 저항과 잘 일치하 였다.
각기 두께 2.5 μm, 5 μm 및 10 μm인 레그들로 구성된 열전박막소자의 양단간에 Fig. 3와 같은 온도차를 인가하 며 측정한 출력전력 특성을 각기 Figs. 9-11에 나타내었 다. ΔT가 증가함에 따라 출력전력이 증가하였으며, 동일 한 ΔT에서는 레그의 두께가 증가할수록 출력전력이 증 가하였다. 열전박막소자의 최대 출력전력은 식 (4)와 같 이 표현된다.1,9,26)
(4)
식 (4)에서 Po는 최대 출력전력, Voc는 open circuit 전 Po Voc
2
4RG
--- m2αp n–
2 ΔTG
2
4RG
---
= =
Fig. 8. Device resistance measured at different ΔT as a function of the leg thickness.
Fig. 7. Seebeck coefficient of a pair of p-type leg/Ti and n-type leg/Ti as a function of the leg thickness.
압, RG는 열전박막소자의 저항, m은 p-n 레그 쌍의 개수, αp-n는 한 쌍의 p형 레그와 n형 레그의 Seebeck 계수 절대 값의 합, ΔTG는 레그의 고온단과 저온단 사이에 실제 인 가된 온도차이다. ΔTG가 적외선 카메라로 측정한 ΔT와 동일하여 αp-n이 1 cm × 1 cm 크기의 박막 시편과 동일하 다고 가정하고 식 (4)를 사용하여 레그 두께가 10 μm인 열전박막소자에 대해 최대 출력전력 Pcal을 계산하였으 며, 이를 실제 측정값 Pmea과와 비교하여 Fig. 12에 나타 내었다. 이때 열전박막소자의 저항 TG로는 테스터로 측 정한 0.83 kΩ을 사용하였다. Fig. 12에서와 같이 겉보기 온도차 ΔT를 사용하여 계산한 Pcal가 실제 측정된 Pmea보 다 더 높은 값을 나타내었으며, 이들의 차이는 ΔT가 커
질수록 증가하였다. 이와 같은 Pcal와 Pmea 사이의 차이는 Si 기판을 통한 기생 열전달이 기판과 동일한 크기의 박 막 시편에 비해 열전박막소자에서 더 크기 때문에 소자 레그에 실제 인가된 ΔTG가 겉보기 온도차 ΔT보다 크게 낮아지는데 기인한다. 레그의 도금 씨앗층으로 Ti 대신에 Ti/Au/Cu를 사용한 in-plane형 소자에서도 LED 칩의 구 동에 의해 소자 레그에 인가되는 ΔTG는 ΔT의 1/15~1/20 이 될 것으로 예측되었다.1)
In-plane형 열전소자에서는 기판의 기생 열전도를 방지 하기 어렵기 때문에 LED 칩의 열에너지 회수에 대한 연 구들은 기판 수평방향으로 기생 열전도의 문제가 없는 cross-plane 구조의 40 mm × 40 mm 크기를 갖는 상용 벌 크 열전모듈을 사용하여 주로 진행되었다.10,11) 이와 같은 연구들에서 열전모듈의 겉보기 온도차 ΔT를 33.6~41.8K 로 크게 유지하는 것이 가능하며 ΔTG가 ΔT와 큰 차이가 없기 때문에 1.21~1.61 W가 발전되었다고 보고되었다.
또한 LED 방열의 회수효율은 2.5~6.5%로 in-plane형 열 전박막소자의 0.81 × 10−7~ 5.4× 10−6%에 비해 훨씬 높은 값이 보고되었다.10,11) 그러나 cross-plane형 소자에 사용 되는 상용 열전모듈은 크기가 40 mm × 40 mm × 4 mm로 Si submount에 비해 훨씬 크고 두꺼우며 또한 submount 에 추가로 부착해야 하기 때문에 LED 유닛이 bulky 해져 서 소형 LED 유닛의 제작에 사용하기 어려운 문제점이 있을 수 있다.
4. 결 론
LED 칩의 방출열을 열원으로 한 마이크로 열전발전을 위해 n형 Bi2Te3와 p형 Sb2Te3 열전박막 레그들로 구성된 in-plane형 열전박막소자를 형성하고, 겉보기 온도차 ΔT Fig. 9. Output power-current characteristics of the thin film devices
processed with the 2.5μm-thick p-n legs.
Fig. 10. Output power-current characteristics of the thin film devices processed with the 5μm-thick p-n legs.
Fig. 11. Output power-current characteristics of the thin film devices processed with the 10μm-thick p-n legs.
및 레그 두께에 따른 발전특성을 분석하였다. Ti 씨앗층 을 사용하여 Si 기판에 전기도금한 Bi2Te3와 Sb2Te3 레그 들로 구성된 열전박막소자에서 레그 두께가 증가함에 따 라 p-n 레그/Ti 쌍의 Seebeck 계수가 증가하는 경향을 나 타내었는데, 이는 기판과 레그들이 열적으로 병렬 연결 된 구조에서 레그 두께가 증가함에 따라 레그들을 통해 이동하는 열량이 증가하기 때문인 것으로 판단된다. LED 칩을 구동시켜 겉보기 온도차 ΔT를 7.4K로 유지시 레그 두께가 각기 2.5 μm, 5 μm 및 10 μm인 열전박막소자에서 6.6 nW, 12.8 nW 및 41.9 nW의 최대 발전출력이 측정되 었다. 이와 같이 in-plane형 열전박막소자의 발전성능이 낮은 이유는 Si 기판과 열전박막소자 레그들의 단면적 비 와 열전도도가 크게 차이가 나서 Si 기판을 통한 기생 열 전달이 매우 크기 때문이다. 열전박막소자가 형성된 Si submount를 통한 기생 열흐름을 감소시켜 소자에 실제 인가되는 온도차 ΔTG를 겉보기 온도차 ΔT에 근접시키면 열전박막소자의 출력전력을 증가시킬 수 있을 것이다.
LED submount의 재질로 Si 보다 열전도도가 낮은 물질 을 사용하면 submount를 통한 열전박막소자의 기생 열전 달을 줄일 수 있으나, LED 칩이 방열되지 못해 발광특성 이 저하되는 문제점이 발생한다. 따라서 Si submount의 두께를 감소시키고 소자 레그의 두께를 증가시켜 Si submount를 통한 수평방향의 기생 열전달을 줄인다면 LED 방출열을 이용한 열전발전 효율을 향상시키는 것이 가능할 것이다.
감사의 글
본 논문은 홍익대학교의 연구년 지원에 의해 이루어졌 습니다. 실험에 도움을 주신 김우준, 김재환씨에게 감사 드립니다.
References
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Fig. 12. Comparison of the measured and calculated maximum output powers of the thin film devices processed with the 10μm-thick p-n legs as a function of ΔT. Calculation of the maximum output power has been done with the Seebeck coefficient of a pair of the 10μm-thick p-type film/Ti and n-type film/Ti given in Fig. 2.
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