RF 마그네트론 스퍼터링을 이용한 $ReSi_{1.75}$ 박막의 제조

Abstract

현재 에너지 자원의 확보문제는 공급과 수요의 경제성의 유지와 함께 지구 환경 문제의 해결에 쫓기고 있다. 대체 에너지 자원으로 환경친화적이며 경제적인 특성으로 주목받고 있는 재료중의 하나가 열전재료이다. 열전재료는 발전소자 및 냉각소자 등과 관련된 매우 다양한 분야에 응용되어 오고 있다. 열전 냉각은 컴퓨터 소자나 발광 소자의 냉각 등 소형화된 집적소자의 냉각에 응용 가능한 환경 친화적인 냉각 방법이다. 또한 열전재료는 청량음료를 차갑게 하는 냉각용기부터 우주탐사선의 발전소자까지 매우 다양한 분야에 사용되고 있다. 지난 30년간 Bi-Te계 기반의 합금, Sb-Te계 기반의 합금 그리고 Si-Ge계 기반의 합금이 폭넓게 연구되었으며, 발전소자와 냉각소자로써 상용화를 위한 최적화가 진행되어 왔다. 기존 열전재료의 폭넓은 연구에도 불구하고 열전재료는 여전히 사용상의 문제점의 개선과 대체의 필요성이 대두되고 있다. 따라서 새로운 열전재료가 연구되어야만 한다. 지난 10년간 열전재료분야의 연구는 빠른 성장을 보여왔다. 수많은 연구자들은 보다 나은 열전재료 개발을 통해 열전소자는 수많은 응용분야 중에서 새로운 온도 영역과 더 좋은 효율을 갖게 되었다. 우수한 열전재료는 무차원 성능지수인 ZT = (α2σ/λ)T에 의해 결정되는데, α는 Seebeck 계수, σ는 전기전도도, λ는 열전도도이며, 기존에 개발되어 상용화된 열전재료는 ZT=0.7 이상의 값을 갖는다고 보고되어 왔다. 그런데 Bi-Te계와 Sb-Te계의 열전재료들은 toxic하다는 큰 단점을 갖고 있으며 기존 열전재료 모두 800℃이상의 고온에서는 ZT계수가 0.7 미만으로 나타났다. 따라서 ZT계수가 0.7 이상이며, 고온에서 사용 가능하며 열전재료의 개발의 필요성이 대두되었다. 이렇게 개발된 열전재료중의 하나가 ReSi1.75 단결정이다. Re-silicides는 초기에 IR detector로써 그 사용 가능성이 기대되었다. Long 등과 같은 연구자에 의해 thin film의 물성들이 조사되었지만, 열전특성은 아직 보고된바가 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 RF-sputter를 이용하여 (100) Si wafer위에 ReSi1.75 thin films을 제조하여 열전재료로써의 특성을 조사하고자한다. 박막의 열전특성은 일반적으로 bulk재료들에 비해서 열전도도의 감소로 인하여 열전특성이 향상되는 것으로 알려져 있다. 본 연구의 기본 재료인 ReSi1.75의 경우 bulk 상태에서 0.7이상의 우수한 열전특성을 가지는 재료로써 보고되었다. 따라서 이 재료를 박막화한다면 보다 우수한 열전특성을 나타낼 것으로 기대된다. 이에 RF magnetron sputter를 이용하여 ReSi1.75 박막을 제조하였다.