열전 발전소자의 신뢰성 향상을 위한 금속화층 연구

Abstract

열전 소자의 장기 신뢰성은 소자의 전극과 레그(leg)의 계면 상태에 큰 영향을 받는다. 고온부의 온도로 인한 전극과 열전 소재 사이 계면 균열, 원소 확산 및 금속간 화합물 형성은 계면의 전기적 접촉 저항을 증가시켜 소자의 출력을 감소시키기 때문이다. 이를 개선하기 위해 전극과 레그(leg) 사이에 금속 확산방지막을 삽입하여 금속화 구조를 제작하는 금속화(metallization) 공정이 필요하며, 다양한 그룹에서 이에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 skutterudite(SKD) 기반 중온 열전 소자의 신뢰성을 높이기 위해 Co과 Mo의 혼합층의 $Co_{0.6}Mo_{0.4}$ / n-type SKD (SKD-N) 금속화 구조를 개발하였다. 개발한 구조는 기존의 티타늄 구조(Ti / SKD-N)보다 소자 동작 온도($550 ^circ C$)에서 100시간 열처리 이후에 계면 확산 길이가 76%, 접촉 저항이 81% 감소한 결과를 얻을 수 있었으며, 금속화 구조의 수명을 계산했을 때에도 약 5년으로 계산되어 티타늄 구조(12일)보다 신뢰성이 개선된 것을 확인할 수 있었다. 또한, $Co_{0.6}Mo_{0.4}$ / SKD-N 구조를 적용한 실제 열전 소자를 제작하여 500 회의 열 사이클 측정 했을 때, 소자가 초기 출력의 85% 이상의 출력을 유지하고 있음을 확인하였다.