[논문 리뷰] Facile and time-resolved chemical growth of nanoporous CaxCoO2 thin films for flexible and thermoelectric applications

Tridib Kumar Sinha, Jinho Lee외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 05.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 61인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 수용성 프리커서 잉크에 내재된 Ca²⁺-DMF 및 Co²⁺-DMF 복합체를 이용하여 사파이어 및 마이카 기판 위에 나노다공성 Ca₀.₃₅CoO₂ 박막을 형성하는 간편하고 리간드가 없는, 시간에 따라 조절 가능한 화학적 용액 증착 방법을 제시한다. 이 박막들은 높은 전력 인자(실온 근처에서 0.50 × 10⁻⁴ Wm⁻¹K⁻²)와 뛰어난 기계적 유연성을 보이며, 최소 15 mm의 굽힘 반경을 견딜 수 있어 유연한 열전 장치 제작을 위한 확장 가능하고 저비용의 공정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

CaxCoO2 thin films can be promising for widespread flexible thermoelectric applications in a wide temperature range from room-temperature self-powered wearable applications (by harvesting power from body heat) to energy harvesting from hot surfaces (e.g., hot pipes) if a cost-effective and facile growth technique is developed. Here, we demonstrate a time resolved, facile and ligand-free soft chemical method for the growth of nanoporous Ca0.35CoO2 thin films on sapphire and mica substrates from a water-based precursor ink, composed of in-situ prepared Ca2+-DMF and Co2+-DMF complexes. Mica serves as flexible substrate as well as sacrificial layer for film transfer. The grown films are oriented and can sustain bending stress until a bending radius of 15 mm. Despite the presence of nanopores, the power factor of Ca0.35CoO2 film is found to be as high as 0.50 x 10-4 Wm-1K-2 near room temperature. The present technique, being simple and fast to be potentially suitable for cost-effective industrial upscaling.

연구 동기 및 목표

• 열전 응용을 위한 저비용이고 확장 가능한 방법으로 기계적으로 유연한 Ca₀.₃₅CoO₂ 박막을 제조하는 것.
• 복잡한 리간드 보조 공정 없이도 마이카와 같은 유연한 기판 위에 박막을 성장시킬 수 있도록 하는 것.
• 내구성 있는 기계적 유연성을 유지하면서도 나노다공성 Ca₀.₃₅CoO₂ 박막에서 높은 전기적 전력 인자를 확보하는 것.
• 산업적 확장 가능성을 고려해 수용성 잉크를 사용한 시간에 따라 조절 가능한 빠르고 간편한 합성 공정을 구현하는 것.

제안 방법

• 수용성 프리커서 잉크 내에서 내재된 Ca²⁺-DMF 및 Co²⁺-DMF 복합체를 이용한 박막 증착.
• 제어된 시간에 따라 조절 가능한 열처리 조건 하에서 사파이어 및 마이카 기판에 대한 화학적 용액 증착.
• 후처리 단계에서 리간드 제거가 필요 없고 공정 복잡도가 감소하는 리간드 없는 합성.
• 마이카를 유연한 기판으로서 동시에 박막 전이를 위한 임시 기능을 수행하는 물질로 활용.
• 적절한 결정성 확보를 위해 제어된 열처리를 통한 정렬된 나노다공성 Ca₀.₃₅CoO₂ 박막 형성.
• XRD, SEM 및 전기적 측정을 통한 구조, 미세구조 및 열전 성능 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리간드가 없는 수용성 화학적 용액 방법이 고품질의 기계적 유연성 있는 Ca₀.₃₅CoO₂ 박막을 제조할 수 있는가?
• RQ2 이 간편한 방법으로 제조된 나노다공성 Ca₀.₃₅CoO₂ 박막에서 확보할 수 있는 최대 전력 인자는 얼마인가?
• RQ3 박막은 어느 정도의 기계적 굽힘에 대해 성능 저하 없이 견딜 수 있는가?
• RQ4 시간에 따라 조절 가능한 증착 공정이 박막의 정렬성과 결정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 마이카가 박막 전이를 위한 효과적인 유연한 기판이자 임시 기능을 수행할 수 있는가?

주요 결과

• Ca₀.₃₅CoO₂ 박막은 실온 근처에서 전력 인자가 0.50 × 10⁻⁴ Wm⁻¹K⁻²로 나타나 강력한 열전 잠재력을 보였다.
• 박막은 15 mm의 굽힘 반경까지 굽혀져도 구조적 안정성과 전기적 성능을 유지하여 높은 기계적 유연성을 입증하였다.
• 박막 형성 과정 동안 나노다공성 구조가 유지되어 전기적 전도성에 영향을 주지 않으면서도 표면적을 증가시켰다.
• 합성 방법은 시간에 따라 조절 가능하고 간편하여 복잡한 리간드나 고진공 공정 없이도 신속한 박막 형성을 가능하게 하였다.
• 마이카를 임시 기능으로 사용함으로써 박막을 다른 기판으로 성공적으로 전이시킬 수 있었으며, 이는 응용의 다양성을 높였다.
• 이 공정은 확장 가능하고 저비용이며, 기계적으로 유연한 열전 장치 제조 분야에서 산업적 확장 가능성이 매우 높다.