1. 서 론

화석 연료로 대표되는 전통 에너지원의 고갈과 함께 환 경 오염 문제와 기후 변화 문제가 지속적으로 지적되어 친환경 대체 에너지의 연구가 요구되고 있다[1]. 새로운 에너지원의 연구 외에도 여러 에너지 사용 환경의 응용을 통해 돌파구를 찾고자 하는 노력도 이어지고 있다. 그중 한 가지가 다양한 에너지 전환 과정에서 발생하는 폐 에 너지를 재활용하거나 주변에 존재하는 잉여 에너지를 활 용하는 에너지 하베스팅(energy harvesting)이다[1, 2]. 에 너지는 우리가 사용하는 전기 에너지, 기계적 동력 등으로 전환되는 과정에서 열, 진동, 빛 등 여러 부산물 에너지를 발생시키고 이런 에너지는 사용하지 못하고 버려지게 된 다. 기존에 사용하지 못하고 버려지던 에너지를 에너지 하 베스팅 기술을 통해 재활용하여 에너지 사용 효율을 상당 히 개선할 수 있다. 에너지 하베스팅을 통해 재활용할 수 있는 에너지에는 빛[3], 진동 및 압력[4], 전자기파[5], 열 [6-9] 등 다양한 에너지가 있다. 이 중 버려지는 열 에너지 를 전기 에너지로 전환하는 것이 열전 효과이며, 이 효과 를 이용해 에너지 하베스팅을 하는 것이 열전 소자이다. 열전 소자는 구조가 단순하고 크기가 작아 설치가 쉽다. 또한, 직관적인 에너지 변환 메커니즘으로 극한 환경에서 도 에너지 공급 없이 사용할 수 있다. 특히, 많은 열이 발 생하는 공장이나 엔진, 터빈 등에 간단히 설치하여 폐열 발전이 가능하며 웨어러블 전자 기기의 보조 전력원으로 체온을 이용한 발전도 가능하다[8].

최근 들어 재료의 구조-성질에 대한 이해와 나노 구조화 를 통한 열전 성능의 향상, 즉 열전 성능지수(figure-ofmerit, zT)의 비약적인 향상이 있어 왔다[10-14]. 여기서 열 전 성능지수는 다음 식으로 표현이 된다.

zT=(S2⋅σ/κ)⋅T

(S: 제백 계수, σ: 전기전도도, k: 열전도도)

위 식에 따라 높은 열전 성능지수를 갖기 위해서는 높 은 제벡 계수를 가지거나, 전기전도도가 높거나, 열전도도 가 낮아야 한다. 하지만 제벡 계수, 전기전도도, 열전도도 는 서로 연관되어 있어 하나의 인자만을 조정하는 것은 매우 어렵다. 특히 전기전도도와 열전도도는 비례관계에 있어 소재 설계 시 주의가 필요하다.

최근의 열전 소재 연구에서는 재료 본연의 특성이 뛰어 난 재료를 개발하거나, 나노구조화나 도핑, 텍스쳐링, 게 재물 도입 등을 통해 열전도도를 낮추고 전기전도도를 높 이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[10-14]. 특히, 입 계(grain boundary)를 증가시켜 포논(phonon) 산란을 유도 하는 방식이 널리 사용되고 있는데, 최근에는 원자층 증착 법(atomic layer deposition, ALD)을 이용해 분말 형태의 열전 소재를 나노미터 두께의 산화막으로 코팅하여 계면 영역의 캐리어 농도를 조절하고 입계에서 포논을 산란시 킴으로써 열전 성능계수를 크게 향상시킨 연구 결과가 보 고되고 있다[15, 16]. 원자층 증착법은 가스 형태의 전구 체 분자와 반응가스가 교번으로 주입되어, 분말 표면에서 반응함으로써 분말 표면에 균일한 코팅막을 형성하게 된 다. Kim 등에 따르면, 10 사이클의 ALD로 형성한 ZnO 박막은 p-타입 열전 소재 Bi_0.4Sb_1.6Te₃(BST)의 열전 성능 지수를 350 K의 온도 조건에서 1에서 1.5로 50% 향상시 킨 결과를 보였다. ZnO 박막의 높은 녹는점으로 인해 플 라즈마 소결 시 열전 소재의 입성장을 막아 주어 효과적 으로 열전도도를 낮추는 효과가 있음이 보고되었다[15]. 이에 앞서 Li 등은 n-타입 Bi₂Te_2.7Se_0.3(BTS) 분말 소재에 역시 ALD를 이용해 20 사이클, 약 2 nm 두께의 ZnO 박 막을 형성함으로써, 에너지 필터링 효과에 의한 제백 계수 의 향상과 함께 열전도도의 감소를 가져와, 390 K에서 약 0.85의 zT를 얻었고, 이는 코팅하지 않은 분말 소재 대비 약 80%의 성능 향상임을 보고 했다[16].

한편, 분말 소재의 균일한 코팅을 위해서는 ALD 공정 중에 분말의 유동화가 필요한데, 앞선 논문에서는 기계적 진동 방식이나 회전 방식이 쓰인 바 있다. Jung 등은 BTS 분말의 ALD 공정에서 가스 유동화 리액터(FBR; Fluidization bed reactor) 방식과 회전(Rotary) 방식을 각각 사용 해 10 nm의 두꺼운 ZnO 박막을 형성시켰다[17]. ZnO가 코팅된 BTS 분말의 화학적, 전기적 분석을 통해 FBR 방 식에서 균일도가 높고 화학양론적인 ZnO 박막이 형성되 었고, 회전 방식에서는 수분 함유량이 다소 높고 분말 입 자가 뭉쳐진 결과가 보고되었다. 하지만, 스파크 플라즈마 소결(SPS; spark plasma sintering)을 통해 제작한 펠릿의 Hall 측정을 통해 얻은 전하이동도에서는, 회전 방식의 BTS 열전 펠릿에서 더 높은 이동도가 나타난다는 것을 확 인했다. 이는 ZnO 박막이 입계의 결함을 패시베이션 (passivation) 시키는 효과와 함께, 잔존하는 산소 관련 이 온들이 전하 농도 및 이동도에 영향을 주기 때문인 것으 로 설명되었다.

본 연구에서는 BTS 분말에 회전 반응기 방식의 ALD를 사용해 40 사이클과 100 사이클의 ZnO 박막을 형성하였 고, SPS 방법으로 펠릿을 제작하여 입성장 여부, 표면 분 석을 통한 화학적 결합 에너지 변화, 결정 구조의 변화, 그 리고 열전 성능 특성의 향상 여부를 비교하였다. 그 결과, 40 사이클로 형성한 ZnO 박막을 통해 효과적으로 열전도 도를 감소시킬 수 있었고, 460 K에서 약 0.9의 zT로 60% 의 열전 성능지수의 향상을 확보할 수 있었다. 이를 통해 양산성이 높은 회전 방식의 ALD 코팅막은 열전 성능지수 의 향상에 효과적임을 입증하였다.

2. 실험 방법

Se이 첨가된 Bi₂Te_2.7Se_0.3(BTS) 분말은 고에너지 볼 밀 링과 melt-spinning법에 의해 제조되었다. 조대한 분말은 3D 믹서에서 5시간 동안 10 μm 직경의 지르코니아 볼과 같이 볼 밀링 방법으로 분쇄되었다[17]. 그 결과, 수 μm 크기의 분말을 얻을 수 있었다. 준비된 BTS 분말은 증착 중에 지속적인 교반이 일어나는 회전 반응기 방식의 ALD(Atomic Shell, CN1, Korea)를 통해 ZnO 박막으로 코 팅 되었다. 이 때 회전식 반응기는 직류 모터를 이용해 30 rpm(rotation per min)의 속도로 지속적으로 회전하면서 분말을 교반 시켰다[18]. ZnO의 전구체로는 diethylzinc (DEZ)와 H₂O를 사용하였다. ZnO ALD는 100°C에서 진행 되었고, 0.5초 DEZ 주입 - 15초 N₂ 퍼지 - 0.5초 H₂O 주 입 - 15초 N₂ 퍼지의 순서를 한 사이클로 하여 40 사이클 과 100 사이클을 각각 증착하였다[19]. 해당 조건에서의 박막의 성장 속도는 실리콘 웨이퍼 기판 기준으로 약 0.11 nm/cycle로 얻어졌다. ZnO 박막이 40, 100 사이클 코팅된 (이하 ZnO-40, ZnO-100으로 명명) BTS 분말, 코팅이 되 지 않은(ZnO-0으로 명명) 분말을 스파크 플라즈마 소결 장치(SPS-825, SPS Syntex Inc.)를 이용해 60MPa의 압력 과 500°C의 온도 조건에서 10분 동안 소결 시켜 펠릿을 제작했다.

ZnO 박막을 코팅하거나 그렇지 않은 BTS 분말과 펠릿 의 형상과 조성을 확인하기 위해서 주사전자현미경(FESEM; Field-enhanced scanning electron microscope, SU8010, Hitachi, Japan)과 에너지 분산형 분광법(EDS; energy dispersive spectroscopy, JEM-2100F, JEOL, Japan)을 사용 했다. 또한 분말 위에 코팅된 ZnO 박막과 BTS 펠릿 표면 의 결합 에너지를 알아보기 위해 X선 분광법(XPS; X-ray photoelectron spectroscopy, K-alpha+, Thermo Fisher Scientific, USA)을 이용했다. 이 때 X선 소스로는 Al K_α 특성선(1488.6 keV)을 사용했다. 또한 X선 회절법(XRD; X-ray diffraction, Bruker DE/D8 Advance, Bruker, Germany) 을 이용해 분말과 펠릿의 결정 구조를 알아보았다. 열전 성능지수를 얻기 위해, 레이저 플래시 열분석기 (LFA; Laser flash analyzer, LFA467, Netzsch, Germany)를 사용해 열전도도를 구했고, Four probe 방식의 ZEM-3 장 치를 이용해 전기전도도와 제백 계수를 구할 수 있었다. Figure 1(a)에는 전체적인 실험 과정을 나타냈다. Fig. 1(b) 에는 예상되는 ZnO 계면의 열전 효과를 나타냈다. 전자의 경우 높은 에너지 장벽을 갖는 ZnO로 인한 에너지 필터 링 효과가 기대된다. 일반적으로 전자가 밴드갭 에너지가 차이나는 두 물질을 통과할 때, 낮은 에너지를 가진 물질 에 있는 전자 중 큰 밴드갭 에너지를 통과할 수 있는 높 은 에너지를 가진 전자만 이동하게 된다. 따라서, 전자의 에너지 차이에 의해 고에너지에서 저에너지 방향으로 전 위차가 발생하게 되고 이에 따라 제벡 계수를 향상시킬 수 있다[1]. 즉, 더 높은 에너지를 갖는 전자가 ZnO 장벽 을 넘을 수 있기 때문에 제백 계수의 증가가 기대된다. 포 논의 경우 ZnO 이종 계면에 의한 산란으로 포논의 이동 이 감소할 것으로 기대가 된다.

Fig. 1

(a) Fabrication process of thermoelectric materials. (b) Schematic diagram of interface effects on the electron and phonon transport.

3. 결과 및 고찰

ZnO-0, ZnO-40, ZnO-100 BTS 분말의 크기 분포를 비 교하였다. 이를 통해 ALD 코팅 공정 중에 분말이 잘 교 반 되고 있는지를 확인하고자 하였다. Figure 2에 각 분말 의 크기 분포를 나타냈다. 가장 큰 빈도를 갖는 분말 입자 의 크기는 약 5 μm 정도로 코팅 여부와 무관하다[17]. 하 지만, ZnO-0 분말의 경우 1 μm 이하 크기를 갖는 분말 입 자가 존재했으나, ALD 코팅 후에는 존재하지 않았다. 반 면, 20 μm 이상의 크기를 갖는 입자는 코팅 후 빈도가 크 게 증가한 것을 볼 수 있다. 이러한 결과는 ALD 사이클 의 수와 무관하게 나타났다. ALD 증착이 이루어지는 동 안 작은 입자의 뭉침이 발생한다고 볼 수 있지만, 이러한 뭉침 현상은 40 사이클 이하의 초기에 주로 일어나는 것 을 알 수 있다. 따라서 ALD 사이클 수가 증가하더라도 입 자의 뭉침이 더 심해지지는 않을 것으로 예상된다.

Fig. 2

Particle size distributions of ZnO-0, ZnO-40, and ZnO-100 BTS powders (Reproduced with permission from Ref [17]. Copyright 2022 Elsevier.).

Figure 3(a)-(c)에는 FE-SEM과 EDS를 이용해 분석한 ZnO-0, ZnO-40, ZnO-100 BTS 분말의 표면 형상과 에너 지 스펙트럼을 나타냈다. Fig. 3(a)의 ZnO-0 BTS 분말의 경우 비교적 균일하고 작은 형상의 비정형상의 분말 입자 를 확인할 수 있는 반면에, Fig. 3(b)의 ZnO-40 BTS 분말 에서는 다소 입자 크기가 큰 분말들도 관찰이 되었다. 하 지만, Fig. 3(c)에 나타낸 ZnO-100 BTS 분말은 입자 형상 에 있어서 ZnO-0 BTS 분말과 큰 차이가 나타나지 않았다. 따라서 ALD 코팅막 자체는 분말의 형상을 크게 변화시키 지 않음을 알 수 있었다. 하지만, 에너지 스펙트럼에서는 ZnO-0 BTS 분말의 경우 Bi, Te, Se, O가 관찰되지만, ZnO가 코팅된 분말에서는 그 외에도 Zn가 검출되는 것을 볼 수 있다. Table 1에는 BTS 분말의 EDS 정량 분석으로 부터 얻은 원소별 조성을 나타냈다. 특정 원소의 정량 변 화없이 ZnO 사이클 수가 증가하면서 Zn 조성이 증가하는 양상을 나타냈다. 또한 산소 함량은 ZnO 코팅 전후로 큰 변화가 없는 것으로 보아 코팅되지 않은 분말 상태에서도 표면에서 상당한 산화가 일어난 것을 알 수 있다.

Fig. 3

SEM images and EDS spectra of (a) ZnO-0, (b) ZnO-40, (c) ZnO-100 BTS powders.

Table 1

Elemental composition of ZnO-0, ZnO-40, and ZnO-100 BTS powders (unit: at%)

BTS 분말을 SPS를 이용해 펠릿을 제작한 후 SEM-EDS 로 표면 형상과 조성을 분석하였다. Figure 4 (a)-(c)에 나 타낸 바와 같이, ZnO 코팅한 BTS 분말을 소결하였을 때 표면 형상의 변화는 관찰되지 않았다. Kim 등은 15 ALD 사이클의 ZnO 코팅된 BST 분말의 450°C SPS를 통한 펠 릿화 과정에서 코팅막이 효과적으로 BST의 입성장을 막 을 수 있음을 보고하였다[15]. 또한 Li 등은 20-60 ALD 사이클의 ZnO가 코팅된 BTS 분말의 350°C 핫 프레스를 이용한 소결 과정에서 입계에 Te 이차상(second phase)이 형성될 수 있음을 투과전자현미경 분석을 통해 확인했다 [16]. 하지만, 본 연구에서는 이러한 코팅막의 입성장 방지 효과나 이차상 형성 효과를 보기는 어려웠다. EDS 분석 결과에서는 분말에서의 관찰 결과와 마찬가지로 ZnO가 코팅된 분말의 펠릿에서 Zn 픽이 관찰되는 것을 볼 수 있 다. Table 2에는 EDS를 이용해 검출된 각 원소별 정량을 나타냈다. ZnO-40과 ZnO-100 BTS 펠릿에서 Zn 조성의 증가가 관찰되지는 않은 반면에, 코팅막의 두께가 증가할 수록 Te 조성의 미약한 증가가 보였다.

Fig. 4

SEM images and EDS spectra of the surface of (a) ZnO-0, (b) ZnO-40, (c) ZnO-100 BTS pellets.

Table 2

Elemental composition of ZnO-0, ZnO-40, and ZnO-100 BTS pellets (unit: at%)

다음은 XPS 분석법을 통해 펠릿 표면의 화학적 결합 상 태를 분석했다. BTS 펠릿의 Zn 2p, O 1s, Te 3d, Bi 4f 스 펙트럼을 Figure 5 (a-d)에 각각 나타냈다. 먼저 Fig. 5 (a) 의 Zn 2p 스펙트럼을 비교해 보면, ZnO 박막이 코팅됨에 따라 Zn-O 결합 에너지에 해당하는 서브 픽이 크게 증가 하는 것을 볼 수 있다. ZnO-0 BTS 펠릿의 1010eV 부근 에서 관찰되는 픽의 경우 1005 eV에서 나오는 Te Auger 로 보이며[20], 코팅막이 두꺼워질수록 이 픽의 세기는 감 소하는 것을 볼 수 있다. Fig. 5 (b)에 나타낸 O 1s의 경우 픽 분리가 어려워, 금속 산화물의 서브 픽을 M-O, 금속 산화물의 중간 상(intermediate phase), 그리고 금속 원소와 수분의 결합인 M-OH상으로 각각 분리하고자 하였다. ZnO-0 펠릿의 표면에서도 산소가 관찰되었고 이것은 Bi- O나 Te-O에서 나오는 서브 픽으로 예상된다. ZnO 박막의 코팅 후에는 O 1s 픽이 낮은 결합 에너지 쪽으로 이동하 는 것을 볼 수 있다. 이것은 Zn-O 결합이 표면에 증가하 면서 Bi-O, Te-O보다 낮은 쪽으로 결합 에너지가 옮겨 가 는 것으로 보인다. 한편, 중간 상으로 표시한 서브 픽은 코 팅막이 있는 펠릿에서 더 강화되는 경향을 보이는데, 소결 하면서 발생하는 표면의 이차상일 것으로 예상되지만 아 직 구체적으로 밝혀진 것은 없다. 다만, 코팅된 펠릿에서 의 이차상의 강화가 전기전도도의 향상에 일부 기여하는 것으로 예상이 된다. M-OH 서브 픽은 분말 표면에 잔존 하는 수분이 금속과 결합한 상태로 펠릿 표면에 남아 있 는 것으로 생각된다. 이 역시 펠릿의 전기전도도에 영향을 주는 것으로 예상이 된다[17].

Fig. 5

XPS spectra of (a) Zn 2p, (b) O 1s, (c) Bi 4f, and (d) Te 3d in ZnO-0 (top panel), ZnO-40 (middle), and ZnO-100 (bottom) BTS pellets (Reproduced with permission from Ref [17]. Copyright 2022 Elsevier.).

Fig. 5 (c), (d)에는 분말 물질에 해당하는 Bi 4f와 Te 3d 의 스펙트럼을 볼 수 있다. 두 스펙트럼 모두 코팅 전후로 큰 변화는 확인하기 어려웠다. 다만 Bi 4f의 경우, 코팅막 두께가 증가하면서 낮은 결합 에너지 쪽으로 약간 이동하 는 것을 확인할 수 있었다. 이전의 연구 결과에 따르면, 코 팅하지 않은 분말 상태에서는 Bi-Te의 서브 픽의 강도가 Bi-O 서브 픽보다 강했지만, ZnO를 코팅하거나 소결 과정 에서 Bi-O 서브 픽이 더 강해지는 것을 확인할 수 있었다 [17]. Te 3d의 경우에는 Te-Bi와 Te-O의 서브 픽으로 픽 분리가 가능했으며, 코팅막의 유무와 상관없이 Te-O의 서 브 픽이 더 큰 것을 확인할 수 있다.

XRD 분석법을 통해 분말 상태의 BTS와 펠릿의 코팅 상태에 따른 결정상을 분석하여 Figure 6에 나타냈다. Fig. 6 (a)-(c)는 분말 상태의 BTS의 XRD 스펙트라를 나타냈 으며, ZnO 코팅막의 두께가 10 nm 이하로 얇기 때문에 BTS의 rhombohedral 상에 해당하는 결정상이 검출이 되 었다. 하지만, Fig. 6 (d)의 코팅하지 않은 상태로 소결 시 킨 펠릿에서 Te의 hexagonal 상이 BTS rhombohedral 상 과 혼재되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 반면에, ZnO로 코팅된 분말을 소결 시킨 펠릿에서는 Fig. 6 (e), (f)와 같 이 결정성이 높아졌지만 Te 결정상이 관찰되지는 않았다. 이를 통해 코팅막은 SPS 소결 시 Te의 용출로 인한 Te 단 일상의 형성을 억제하는 역할을 한다는 것을 알 수 있었 다. 이 XRD 분석 결과와 XPS 분석 결과를 종합하면, 코 팅막이 있는 ZnO-40, ZnO-100 펠릿의 경우 산소에서 여 러 서브 픽이 존재하는 것으로 보아 여러 환원상(reduced phase)이 이차상으로 존재하는 것으로 생각된다.

Fig. 6

XRD patterns of (a)(d) ZnO-0, (b)(e) ZnO-40, (c)(f) ZnO-100 BTS powder and pellets.

끝으로, 300-500 K의 온도 구간에서 BTS 펠릿의 열전 성능을 분석한 결과를 Figure 7에 나타냈다. Fig. 7 (a)에 는 제백 계수(S)를 나타냈다. 음의 제백 계수는 n-타입의 BTS 열전 소재를 의미하고, BTS 코팅에 따른 일관된 변 화는 관찰되지 않았다. Fig. 7 (b)에는 전기전도도(σ) 특성 을 나타냈다. 코팅되지 않은 BTS 펠릿 대비 ZnO 코팅막 이 두꺼워질수록 전기전도도가 증가하는 양상을 보였다. 도핑이 된 반도체인 BTS에 비해 도핑되지 않은 ZnO 박 막 자체의 전기전도도는 낮은 것으로 알려져 있으나, ZnO 와 BTS의 계면에서의 결함 구조에 따른 전하 형성과 이 동도의 증가와 같은 원인이 ZnO 코팅에 따른 전기전도도 의 향상을 야기한 것으로 생각된다. 다만 XPS 분석 결과 에 따르면, 코팅이 되지 않은 BTS 분말이 펠릿으로 소결 되는 경우에도 표면의 상당한 산화가 진행되었기 때문에, 이러한 자연 산화막에 의해 ZnO-0 펠릿에서도 전기전도 도의 상당한 감소가 있었을 것으로 생각된다. 다음으로 Fig. 7 (c)에는 열전도도(k)를 나타냈다. 열전도도는 격자 열전도도(lattice thermal conductivity, k_l)와 전자 열전도도 (electron thermal conductivity, k_e)로 나뉠 수 있지만, 여기 서는 두 가지 요인이 합쳐진 열전도도를 보여준다. 우선 열전도도는 460K 근처의 온도에서 최소값을 보인다. ZnO-0 펠릿에 비해 ZnO-40 펠릿에서 가장 낮은 열전도도 를 보였다가, 코팅막 두께가 100 사이클로 증가하면서 열 전도도는 더욱 커지는 것을 볼 수 있다. 이를 격자 열전도 도와 전자 열전도도의 관점으로 보게 되면, 코팅막이 얇을 경우에는 ZnO 계면이 포논 산란자로 작용함으로써 격자 열전도도가 감소하는 것을 의미한다. 하지만, 코팅막이 두 꺼워지면서 전기전도도가 증가하는 것이 전자의 농도 증 가와 연관이 되면, 전자 열전도도 역시 증가하기 때문에 오히려 열전도도는 증가하게 되는 것으로 생각이 된다. 두 꺼운 ZnO 코팅막 또는 계면에서 형성되는 이차상 역시도 포논 산란 효과를 억제함으로써 전기전도도와 열전도도의 동시 증가를 가져올 수 있을 것으로 예상이 된다[16].

Fig. 7

(a) Seebeck coefficient, (b) electrical conductivity, (c) thermal conductivity, (d) figure of merit of ZnO-0, ZnO-40, and ZnO-100 BTS pellets.

마지막으로 Fig. 7 (d)에는 S, σ, k를 이용해 구한 zT 열 전 성능지수를 나타냈다. 정의(zT ∝ (S²·σ/κ))에 따라 전기 전도도가 높으면서 열전도도가 크게 감소한 ZnO-40 펠릿 에서 가장 높은 열전 성능지수를 보였다. 460 K의 온도에 서 zT = 0.93으로, ZnO-0 BTS 펠릿의 zT = 0.57 대비 약 60%의 성능 향상을 나타냈다. 이 결과는 역시 동일 조성 의 BTS 분말상에 20 사이클의 ZnO ALD 코팅막을 입히 고 열간 압연 방식으로 펠릿을 제작한 Li 등의 연구 결과 와 거의 일치하였다[16]. 이를 통해 적절한 두께의 코팅막 을 ALD를 통해 형성하게 될 경우, 전기전도도의 증가와 열전도도의 감소를 동시에 달성하여 열전 성능지수를 향 상시킬 수 있는 가능성을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 BTS 열전 분말소재의 ZnO 코팅을 통해 이종 계면을 형성함으로써, 전기전도도와 열전도도의 디 커플링(decoupling)으로 인한 열전 성능지수의 향상을 모 색하였다. 회전식 교반을 통해 40 사이클과 100 사이클의 ALD 공정이 이루어지는 동안 효과적으로 분말소재의 뭉 침 현상을 완화시키면서 ZnO 코팅막을 형성시킬 수 있었 다. XPS 분석을 통해 ZnO 코팅막의 존재를 재확인했으며, BTS 분말의 표면에는 큰 변화가 없다는 것을 확인했다. 하지만 XPS의 산소 1s 스펙트럼 분석을 통해 소결 과정 에서 이차상이 펠릿 내부에서 형성되는 것을 볼 수 있었 다. XRD 분석에서는 소결 과정에서의 Te 용출이 코팅막 이 없을 때 크다는 것을 알 수 있었다. 결과적으로 열전 성능 분석에서 코팅막의 형성에 따른 전기전도도의 증가, 열전도도의 감소를 유도하였고, 40 사이클로 코팅된 펠릿 에서 약 60% 향상된 열전 성능지수를 얻을 수 있었다. 이 결과를 통해 향후 코팅막 물질과 전구체 선택에 따라 ALD 공정을 다양하게 적용하면서, 이종 계면층이 열전 성능에 미치는 영향에 대한 심도 있는 연구로 확장될 수 있을 것으로 기대한다.

Acknowledgements

감사의 글

이 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업(NRF- 2023R1A2C1006831)과 기초연구실사업(2022R1A4A5033917) 의 지원으로 수행되었습니다.

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  journal of Korean Powder Metallurgy Institute.2023; 30(4): 318.     CrossRef