일반기술

전자냉각소자용 열전재료 제조공정

재료에 전류를 가함으로써 냉각이 가능한 Peltier 효과를 나타내는 열전재료는 전자냉각 분야에 응용하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 전자냉각소자는 열응답 감도가 높고 선택적 냉각이 가능하며 작동부분이 없어 구조가 간단하기 때문에, CCD 촬상소자, IR 센서, 고출력 power transistor, 광통신용 LD 모듈과 같은 전자부품의 냉각에 사용되고 있다. 또한 전자냉각소자는 자동차용 냉장박스, 냉정수기, 김치 저장고 등에 실용화되고 있으며, DNA 배양기, 혈액 보관조, 항온조와 같은 과학장비나 반도체 에칭용액 chiller 등과 같은 산업용 장비에 응용되고 있다. 전자냉각 모듈의 성능은 모듈을 구성하고 있는 p형 및 n형 열전재료의 Seebeck 계수 , 전기비저항 및 열전도도 로 표시되는 성능지수 (Z = 2/)에 의존하며, 열전재료의 성능지수가 증가할수록 전자냉각 모듈의 에너지 변환효율이 증가한다. 현재 전자냉각소자의 제조에는 일방향 응고법으로 성장시킨 Bi2Te3계 단결정 열전재료가 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 Bi2Te3계 단결정 열전재료는 성능지수는 우수하나 기계적으로 취약하여 소자가공시 수율 저하가 문제가 되고 있어, 최근 기계적 강도가 향상된 다결정 열전재료의 제조공정에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구실에서는 기계적 합금화 공정을 이용하여 Bi2Te3계 다결정 열전재료의 제조공정 개발에 관한 연구를 진행중에 있다. 기계적 합금화 공정은 상온공정이기 때문에 기존의 다결정 열전재료 제조공정인 "용해/분쇄"법과 비교하여 제조단가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 기존의 "용해/분쇄"법으로 제조한 p형 Bi2Te3계 다결정 열전재료의 성능지수가 ∼2.8 × 10-3/K 인데 반해, 본 연구실에서는 성능지수가 3.3 × 10-3/K로 매우 우수한 p형 (Bi0.2Sb0.8)2Te3 열전재료를 개발하였다. n형 열전재료로는 성능지수가 2.1 × 10-3/K로 기존의 "용해/분쇄"법으로 제조한 열전재료의 값과 동등한 다결정 Bi2(Te0.9Se0.1)3 열전재료를 개발하였다.