Fabrication of 3D nanostructured Al-doped ZnO via proximity field nanopatterning for thermoelectric application

Abstract

과도한 화학연료 사용에 따른 환경 오염과 에너지원 고갈에 관한 문제는 심각한 사회문제로 다양한 분야에서 오랫동안 연구되어 왔다. 그 중에서 열전소재는 열에너지로부터 직접 전기에너지를 생산 해 낼 수 있다는 점에서 대체에너지로서 주목을 받고 있다. 하지만, 열전소재는 지난 수십 년간 꾸준히 연구되었지만 눈에 띄는 성과를 얻어 낼 수는 없었다. 열전성능 지표라고 불리는 ZT는 ZT=σS2T/κ로 나타내며, 각각의 σ, S, κ는 전기전도도, 제백지수, 열전도도를 나타낸다. 따라서 열전성능을 높이기 위해서는 전기전도도와 제백지수를 높이고 열전도도를 낮추면 된다. 하지만, 각각의 물리적 성질들은 서로 깊게 연관되어 있어 독립적으로 제어하는 것이 쉽지 않다. 본 연구에서 제안한 근접장 나노패터닝을 이용한 3차원 나노구조를 가진 알루미늄 도핑 된 산화아연의 제조는 균일한 3차원 나노구조 제작을 통하여 전기전도도와 제백지수를 유지시키면서 열전도도를 획기적으로 낮추려는 시도이다. 이를 위하여 3차원 나노구조를 가진 알루미늄 도핑 된 산화아연을 성공적으로 제작하였고, 전기전도도를 확보하기 위하여 다양한 최적화 공정을 개발하고 수행하였다. 이를 토대로 최종적으로 확보한 전기전도도와 제백 지수를 이용하여 열전성능 지표의 분자인 파워팩터를 다른 방법으로 제작된 다양한 알루미늄 도핑 된 산화아연 열전소재와 그 성능을 비교해 보았다. 우선 벌크와 알에프 스퍼터링방법을 이용한 후막의 알루미늄 도핑 된 산화아연과 비교해 보았을 때에는 파워팩터 성능이 낮았다. 하지만, 비슷한 두께의 박막형태로 제작한 알루미늄 도핑 된 산화아연과 비교 하였을 때에는 그 성능이 비슷하였다. 일반적으로 박막에서보다 3차원 나노구조를 가진 다공성 구조에서 열전도도는 더 낮아지므로 제작된 3차원 나노구조를 가진 알루미늄 도핑 된 산화아연의 열전성능이 더 높을 것이라는 것을 예측 해 볼 수 있다.