상온 영역에서 활용가능성이 높은 Bi2Te3 열전물질의 특성을 향 상 시키기 위하여 전자선을 조사하고 이에 따른 미세구조와 전기 적 열적 특성의 변화를 관찰하는 것이 본 연구의 목적이다. 전자 선 조사에 따라 생성된 meso-scale 결함을 이용하여 열전도도를 감소시켜 열전 특성을 향상 시키는 것이 이 연구의 목적이다.
기존의 열전재료에서의 열전도도를 낮추기 위한 방법으로는 열 전재료의 미세구조를 제어하는 방법이 가장 활발이 연구되고 있다.
이러한 미세구조 제어를 이용하는 방법으로 열전 재료 내에 나노 크기의 결함을 형성하는 방법이 있으며, 이렇게 형성된 나노 결함 들이 포논을 산란시켜 격자진동에 의한 열 전도도를 낮출 수 있다.
하지만, Snyder등에 의해 나노 크기뿐만 아니라 meso크기의 결함 을 이용하여 열전도도를 감소시키는 연구가 보고되었으며, 고효율 열전 재료를 개발하기 위해서는 meso-scale의 결함을 이용한 열 전도도 감소 연구가 필요하다. 기존 meso-scale 결함들을 만들기 위한 공정들은 제조과정에서부터 결함을 생성하고 제어해야 하기 때문에 복잡한 공정과 고비용이 요구되는 단점이 있다. 반면 전자
75
선 조사법은 열전 소결체를 제조한 이후에 후 공정만으로 재료 내 부에 meso-scale 결함을 생성시킬 수 있다는 점에서 간단한 공정 으로 열전 특성을 향상 시킬 수 있는 효과적인 방법이다. 이에 본 연구에서는 meso-scale의 결함을 생성하기 위하여, 전자선을 bulk Bi2Te3재료에 조사하고 그 열전 특성을 분석하였다. 전자선 조사법은 특정한 조건에서 meso-scale의 결함을 생성 시킬 수 있 다고 알려져 있으며, 조사 과정 중에 열처리와 비슷한 효과를 줄 수 있는 것으로 알려져 있다.
전자선 조사된 시편의 경우 meso-scale의 결함 발생으로 밀도 가 감소하였으며, 열확산율 역시 감소하였다. 이렇게 감소한 밀도 와 열확산율에 의해 열전도도는 150KGy를 조사한 시편에서 조사 하지 않은 시편에 비해 25%가량 감소하였다. Meso-scale의 결함 은 Bi2Te3내에 약한 결합인 Te(1)-Te(1)결합이 끊어지면서 발생 하는 Te 휘발에 의한 것으로 전자선 조사량이 증가할수록 Te의 휘발량이 증가하는 것을 EDS를 통해 확인하였다. 이러한 Te의 휘 발은 meso-scale의 결함 생성으로 인한 열전도도를 감소시킬 뿐 만 아니라, 조성이 변화하여 전기적 특성과 열기전력 특성 역시 변화하게 된다. 휘발된 Te 자리를 Bi가 치환하게 되면 전자가 생 성되기 때문에 조사하는 전자선 세기가 증가할수록 운반자 농도가
76
증가한다. 하지만, 150KGy의 전자선을 조사하였을 경우 판상 사 이에 균열이 발생하고, 200KGy의 전자선을 조사하였을 경우 이러 한 균열로 인해 열전특성을 측정할 수가 없었다. 보통의 경우 운 반자 농도가 감소할 경우 열기전력 계수는 상승하고 전기 전도도 는 감소한다. 반대로 운반자 농도가 증가할 경우 경우 전기 전도 도는 증가한다. 하지만, 본 연구에서는 전자선을 조사하였을 경우 열전 재료 내부에 외부 변형 에너지가 발생하게 되고, 이 값은 열 기전력 계수 값의 증가를 가져온다. 이 때문에 Bi2Te3 열전재료에 전자선을 조사할 경우 열기전력 계수와 전기전도도가 동시 상승하 게 된다. 이러한 전자선 조사 효과로 인하여 재료의 출력인자 값 은 100KGy의 전자선이 조사되었을 때, 전자선을 조사하지 않은 시편에 비해 3.5배가량 높은 출력인자 값을 보인다. 이를 소자에 응용하였을 경우 고효율의 열전재료를 개발할 수 있다.
결론적으로 Bi2Te3 열전 재료의 열 전도도는 전자선 조사에 의 해 생성되는 meso-scale의 결함으로 인해 감소하게 되었으며, 열 기전력 계수와 전기 전도도는 전자선 조사의 세기의 증가에 따라 상승한다. 이러한 결과를 이용하여 전자선 조사를 하나의 후처리 공정으로서 이용하여 Bi2Te3 성능의 최적화 공정에 적용할 수 있다.
77