KR101464699B1 - Dichalcogenide thermoelectric materials - Google Patents
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Abstract
기존의 금속이나 반도체와 비교하여 열전도도가 매우 작은 디칼코게나이드 열전재료가 제공된다.A decalcogenide thermoelectric material having a very low thermal conductivity compared to a conventional metal or semiconductor is provided.
상기 열전재료는 하기 화학식 1의 구조를 갖는다:The thermoelectric material has a structure represented by the following formula (1)
<화학식 1>≪ Formula 1 >
RX2-aYa RX 2-a Y a
식중,In the formula,
상기 R은 희토류 또는 전이금속 자성 원소를 나타내며,Wherein R represents a rare earth or transition metal magnetic element,
상기 X 및 Y는 서로 상이한 원소로서, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 나타내며,X and Y are different from each other and represent at least one element selected from the group consisting of S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, ,
상기 a는 0≤a<2 의 범위를 갖는다.And a has a range of 0? A <2.
Description
본 발명은 기존의 금속이나 반도체와 비교하여 열전도도가 매우 작은 디칼코게나이드 열전재료에 관한 것이다.The present invention relates to a decalcogenide thermoelectric material having a very low thermal conductivity as compared with conventional metals and semiconductors.
일반적으로 열전재료는 펠티어 효과(Peltier effect) 및 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 능동냉각 및 폐열발전 등에 응용할 수 있는 재료이다. 상기 펠티어 효과는 도 1에 도시한 바와 같이 외부에서 DC 전압을 가해주었을 때 p-type 재료의 정공과 n-type 재료의 전자가 이동함으로써 재료 양단에 발열과 흡열을 일으키는 현상이다. 상기 제벡 효과는 도 2에 도시한 바와 같이 외부 열원에서 열을 공급 받을 때 전자와 정공이 이동하면서 재료에 전류의 흐름이 생겨 발전(發電)을 일으키는 현상을 말한다.In general, thermoelectric materials are materials that can be applied to active cooling and cogeneration using Peltier effect and Seebeck effect. As shown in FIG. 1, the Peltier effect is a phenomenon in which electrons in the holes of the p-type material and electrons of the n-type material move when a DC voltage is applied from the outside, thereby generating heat and endothermic heat at both ends of the material. As shown in FIG. 2, the Seebeck effect refers to a phenomenon in which electrons and holes move when a heat is supplied from an external heat source, and a current flows in the material to generate electric power.
이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각은 소자의 열적 안정성을 개선시키고 진동과 소음이 없으며 별도의 응축기와 냉매를 사용하지 않아 부피가 작고 환경 친화적인 방법으로서 인식되고 있다. 이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각의 응용분야로서는 무냉매 냉장고, 에어컨, 각종 마이크로 냉각 시스템 등에 사용할 수 있으며, 특히, 각종 메모리 소자에 열전소자를 부착시키면 기존의 냉각방식에 비해 부피는 줄이면서 소자를 균일하고 안정한 온도로 유지시킬 수 있으므로 소자의 성능을 개선할 수 있다.The active cooling using the thermoelectric material improves the thermal stability of the device, eliminates vibration and noise, and does not use a separate condenser and a refrigerant. Thus, the active cooling is recognized as a small-volume, environmentally friendly method. Application of active cooling using such thermoelectric materials can be applied to a non-refrigerated refrigerator, an air conditioner, and various micro cooling systems. Particularly, when thermoelectric elements are attached to various memory devices, The temperature can be maintained at a uniform and stable temperature, and the performance of the device can be improved.
한편 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 열전재료를 열전발전에 활용하면 폐열(waste heat)을 에너지 원으로 활용할 수 있어서 자동차 엔진 및 배기장치, 쓰레기 소각장, 제철소 폐열, 인체 열을 이용한 인체 내 의료기기의 전원 등 에너지의 효율을 높이거나 폐열을 수거하여 사용하는 다양한 분야에 응용할 수 있다.On the other hand, if the thermoelectric material is used for thermoelectric power generation by using the Seebeck effect, waste heat can be utilized as an energy source, and it can be used as an energy source for automobile engines and exhaust devices, waste incinerators, waste heat of steelworks, Such as the power of the power source, or to collect waste heat and use it in various fields.
이와 같은 열전재료의 성능을 측정하는 인자로는 하기 수학식 1과 같이 정의되는 무차원 성능지수 ZT값을 사용한다.As a factor for measuring the performance of such a thermoelectric material, the dimensionless figure of merit ZT, which is defined by the following
<수학식 1>&Quot; (1) "
(식중, S는 제벡계수, σ는 전기전도도, T는 절대온도, κ는 열전도도이다.)(Where S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, T is the absolute temperature, and κ is the thermal conductivity).
상기 무차원 성능지수 ZT값을 증가시키기 위해서는 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 재료를 찾아야 한다.In order to increase the dimensionless figure of merit ZT, a material having high Seebeck coefficient, high electrical conductivity and low thermal conductivity should be sought.
지금까지 많은 종류의 열전재료가 개발되었으나 대부분 상온이상 고온에서 특성이 발현되는 물질이 많고, 상온(300 내지 400 K)에서 우수한 성능을 보이는 물질은 Bi2Te3와 그 고용체 화합물로 알려져 있다.Though many kinds of thermoelectric materials have been developed so far, many materials exhibiting properties at room temperature or higher temperature are known to exhibit excellent performance at room temperature (300 to 400 K), which is known as Bi 2 Te 3 and its solid solution compounds.
그러나 상기 Bi2Te3의 성능을 개선할 수 있는 다양한 열전재료의 개발이 요구되고 있으며, 이를 위해 디칼코게나이드 구조를 갖는 열전재료에 대한 관심이 증 가하고 있다.However, the development of various thermoelectric materials capable of improving the performance of the Bi 2 Te 3 has been demanded. For this purpose, interest in thermoelectric materials having a decalcogenide structure is increasing.
예를 들어 기존에 2차원 층상구조를 갖는 디칼코게나이드(dichalcogenide) 열전재료 개발에 관한 특허로는 일본 NEC에서 출원한 미국 공개특허 US2003/0056819 및 일본 공개특허 P2002-270907가 알려져 있다. 상기 열전재료는 AxBC2-y (0≤x≤2, and 0≤y<1)이라는 화학식으로 표현되며, A 자리에는 Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt, Au, Sc, Y, 희토류 원소 중 적어도 하나의 원소로 구성되며, B자리에는 Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Ir, Sn중 적어도 하나의 원소로 구성되고, C 자리에는 S, Se, Te중 하나의 원소로 구성된다. 상기 문헌의 실시예에서는 AxTiS2 재료의 열전 특성이 정리되어 있으며, 보고된 ZT값이 상온에서는 2.9, 700 K에서는 3.9에 이르는 등 매우 높은 ZT값을 보고하였으나, 이후 보고된 어떤 자료에서도 이러한 값이 검증 보고된 바가 없고, 실제로 AxTiS2의 경우 ZT값이 상온에서 0.2를 넘지 않는 것으로 보고되고 있다(참조: Phys. Rev. B vol. 64, 241104, 2001 / J. Appl. Phys. vol. 102, 073703, 2007). 따라서 상기 문헌에 기재된 열전재료는 상용화되기 곤란하다는 문제가 있다.For example, US Pat. Nos. US2003 / 0056819 and P2002-270907 filed by NEC in Japan are known as patents relating to the development of a dichalcogenide thermoelectric material having a two-dimensional layer structure. The thermoelectric material is represented by a chemical formula of A x BC 2-y (0? X? 2 , and 0? Y <1), and Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, , Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, And at least one element selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Ir, and Sn. S, Se, and Te. In the examples of this document, the thermoelectric properties of A x TiS 2 materials are summarized and reported ZT values are very high at 2.9 at room temperature and 3.9 at 700 K. However, And the ZT value in the case of A x TiS 2 has not been reported to exceed 0.2 at room temperature (see Phys. Rev. B vol. 64, 241104, 2001 / J. Appl. Phys. vol. 102, 073703, 2007). Therefore, there is a problem that it is difficult to commercialize the thermoelectric material described in the above document.
한편, 2007년 Catalin Chiritescu 등은 열전도도가 매우 낮은 WSe2 박막을 제작하였다(참조: Science vol. 315, p. 351, 2007). 2차원 층상구조를 하고 있는 WSe2를 in-plane 방향으로 불규칙하면서 c-축으로는 정렬되게 박막을 쌓으면, 0.05 W/mK 정도로 매우 작은 열전도도를 갖게 된다. 이는 in-plane에 대하여는 방향성을 갖지 않으나, c-축으로는 잘 정렬된 2차원 층상구조를 갖는 물질은 열전도도가 매우 낮다는 것을 의미한다. 그러나 이와 같은 물질은 부도체로서 전기전도도가 매우 낮기 때문에 열전재료로의 응용은 부적합하다. 또한 in-plane 방향으로 무작위한 정렬을 하는 재료를 벌크화하기가 어렵다는 문제를 갖는다.Catalin Chiritescu et al. (2007) produced WSe 2 thin films with low thermal conductivity (see Science vol 315, p. 351, 2007). When WSe 2 having a two-dimensional layer structure is irregular in the in-plane direction and the thin film is stacked on the c-axis, the thermal conductivity is very small, about 0.05 W / mK. This means that materials with a well-ordered two-dimensional layered structure on the c-axis do not have directionality for in-plane, but thermal conductivity is very low. However, such a material is a nonconductor and its electrical conductivity is very low, so its application to thermoelectric materials is unsuitable. Also, there is a problem that it is difficult to bulk-form materials that are randomly aligned in the in-plane direction.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래의 금속이나 반도체와 비교하여 열전도도가 매우 작으면서 파워팩터가 큰 열전재료를 제공하는 것이다.A problem to be solved by the present invention is to provide a thermoelectric material having a very small thermal conductivity and a large power factor as compared with conventional metals and semiconductors.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,According to an aspect of the present invention,
하기 화학식 1의 구조를 갖는 열전재료를 제공한다:There is provided a thermoelectric material having a structure represented by the following formula
<화학식 1>≪ Formula 1 >
RX2-aYa RX 2-a Y a
식중,In the formula,
상기 R은 희토류 또는 전이금속 자성 원소를 나타내며,Wherein R represents a rare earth or transition metal magnetic element,
상기 X 및 Y는 서로 상이한 원소로서, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 나타내며,X and Y are different from each other and represent at least one element selected from the group consisting of S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, ,
상기 a는 0≤a<2 의 범위를 갖는다.And a has a range of 0? A <2.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 R은 란탄족 희토류 원소, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn 및 Ag로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 나타낸다.According to one embodiment of the present invention, R represents at least one element selected from the group consisting of lanthanide rare-earth elements, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn and Ag.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 X는 S, Se 또는 Te를 나타낸다.According to one embodiment of the present invention, X represents S, Se or Te.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 열전재료는 상온에서 2 W/mK 이하의 열 전도도를 나타낸다.According to one embodiment of the present invention, the thermoelectric material exhibits a thermal conductivity of 2 W / mK or less at room temperature.
상기 과제를 달성하기 위한 다른 방법으로서, 본 발명은,According to another aspect of the present invention,
in-plane 불규칙 배열을 갖는 2차원의 층상 구조를 나타내며,dimensional layered structure having an in-plane random arrangement,
하기 화학식 1의 구조를 갖는 열전재료를 제공한다.There is provided a thermoelectric material having a structure represented by the following formula (1).
<화학식 1>≪ Formula 1 >
RX2-aYa RX 2-a Y a
식중,In the formula,
상기 R은 희토류 또는 전이금속 자성 원소를 나타내며,Wherein R represents a rare earth or transition metal magnetic element,
상기 X 및 Y는 서로 상이한 원소로서, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 나타내며,X and Y are different from each other and represent at least one element selected from the group consisting of S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, ,
상기 a는 0≤a<2 의 범위를 갖는다.And a has a range of 0? A <2.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 열전재료의 층상구조는 단일층의 구조를 갖는 X로 이루어진 층 사이에 X 및 R이 교호적으로 배열되며, 필요시 상기 X의 적어도 일부가 Y로 치환된 구조를 갖는다.According to an embodiment of the present invention, the lamellar structure of the thermoelectric material is characterized in that X and R are alternately arranged between the layers of X having a single layer structure, and at least a part of X is substituted with Y if necessary Structure.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 열전재료는 in-plane 방향으로는 공유결합을 형성하며, 층간 결합은 이온 결합 및/또는 반데르 바알스(Van der Waals) 결합을 형성한다.According to an embodiment of the present invention, the thermoelectric material forms a covalent bond in the in-plane direction, and the interlayer bond forms an ionic bond and / or a Van der Waals bond.
본 발명은 또한 하기 화학식 1의 화합물을 제공한다:The present invention also provides compounds of formula 1:
<화학식 1>≪ Formula 1 >
RX2-aYa RX 2-a Y a
식중,In the formula,
상기 R은 희토류 또는 전이금속 자성 원소를 나타내며,Wherein R represents a rare earth or transition metal magnetic element,
상기 X 및 Y는 서로 상이한 원소로서, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 나타내며,X and Y are different from each other and represent at least one element selected from the group consisting of S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, ,
상기 a는 0≤a<2 의 범위를 갖는다.And a has a range of 0? A <2.
본 발명은 파워팩터가 크고 열전도도가 매우 작은 열전재료를 제공하므로, 상기 열전재료는 무냉매 냉장고, 에어컨, 폐열발전, 군사 항공 우주용 열전 핵발전, 마이크로 냉각 시스템 등에 유용하게 사용할 수 있다.Since the present invention provides a thermoelectric material having a large power factor and a very small thermal conductivity, the thermoelectric material can be usefully used in a non-refrigerated refrigerator, air conditioner, waste heat power generation, thermoelectric nuclear power generation for military aerospace, micro cooling system,
본 발명에 따른 열전재료는 하기 화학식 1의 구조를 갖는다:The thermoelectric material according to the present invention has a structure represented by the following formula (1)
<화학식 1>≪
RX2-aYa RX 2-a Y a
식중,In the formula,
상기 R은 희토류 또는 전이금속 자성 원소를 나타내며,Wherein R represents a rare earth or transition metal magnetic element,
상기 X 및 Y는 서로 상이한 원소로서, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 나타내며,X and Y are different from each other and represent at least one element selected from the group consisting of S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, ,
상기 a는 0≤a<2 의 범위를 갖는다.And a has a range of 0? A <2.
본 발명에 따른 상기 화학식 1의 열전재료는 2차원의 층상 구조를 가지며, in-plane 방향으로는 불규칙한 결정 구조이며, c-축으로는 결정성을 갖게 되어, 그 결과 낮은 열전도도를 나타내며, 특히 기본 성분인 RX[a]2에 도핑원소인 Y 성분이 선택적으로 첨가되어 전기전도도가 개선됨으로써 하기 수학식 1의 ZT값이 증가하게 된다.The thermoelectric material of
<수학식 1>&Quot; (1) "
(식중, S는 제벡계수, σ는 전기전도도, T는 절대온도, κ는 열전도도이다.)(Where S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, T is the absolute temperature, and κ is the thermal conductivity).
상기 화학식 1의 열전재료에서 R은 희토류 또는 전이금속 자성원소를 나타내며, 예를 들어 란탄족 희토류 원소, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn 및 Ag로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 사용할 수 있으며, 상기 란탄족 희토류 원소로서는 Ce이 바람직하다.In the thermoelectric material of
상기 화학식 1의 열전재료에서 R과 함께 기본 구조인 2차원 층상구조를 형성하는 X로서는 S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 사용할 수 있으며, 특히 S, Se 또는 Te가 바람직하다.In the thermoelectric material of
상기 R과 X는 서로 공유결합을 형성하여 RX2-aYa의 기본구조를 나타내게 되며, 여기서 a는 0 내지 2보다 작은 범위를 갖는 실수이며, 상기 Y는 도핑원소로서 선택적으로 첨가되어 상기 열전재료의 전류밀도를 최적화시키게 된다.Wherein R and X form a covalent bond with each other to form a basic structure of RX 2-a Y a , wherein a is a real number having a range of 0 to less than 2, and Y is selectively added as a doping element, Thereby optimizing the current density of the material.
상기 RX2-aYa의 기본 구조를 갖는 화합물은 2차원의 층상 구조를 나타낼 수 있으며, 이와 같은 2차원 층상구조는 도 3에 나타낸 바와 같이 X로 이루어진 층 사이에 R과 X가 교호적으로 배열된 구조를 갖는다. 상기 구조에서 in-plane 방향으로는 결정구조가 불규칙한 구조이며, c-축으로는 결정성을 갖게 된다.The compound having the basic structure of RX 2-a Y a may exhibit a two-dimensional layered structure. As shown in FIG. 3, the two-dimensional layered structure is characterized in that R and X are alternately And has an ordered structure. In the above structure, the crystal structure is irregular in the in-plane direction, and the c-axis has crystallinity.
또한 이와 같은 구조에서 in-plane 방향의 X로 이루어진 층은 공유결합을 하여 강한 결합을 형성하고, c-축 방향으로는 이온결합 또는 반데르바알스 결합을 하여 약한 결합을 형성하고 있으므로 c-축으로는 포논(phonon)의 전달이 어렵기 때문에 c-축 방향으로 열전도도가 낮아지게 된다. 특히 in-plane에 수직인 방향에 대하여 불규칙적인 배열을 보이고 있어 열전도도가 낮을 최적의 조건을 갖추고 있다.Also, in this structure, the layer consisting of X in the in-plane direction forms a strong bond by forming a covalent bond and forms weak bond by ionic bonding or van der Waals bonding in the c-axis direction, The transfer of phonons is difficult, and the thermal conductivity decreases in the c-axis direction. In particular, it has an irregular arrangement with respect to the direction perpendicular to the in-plane, and thus has an optimal condition that the thermal conductivity is low.
일반적으로 열전도도(ktot)는 ktot = kLatt + kel 과 같이 격자에 의한 열전도도(kLatt)와 전자에 의한 열전도도(kel)로 구별할 수 있으며, 전자 열전도도는 아래 수학식 2와 같이 Wiedemann-Frantz 법칙에 따라 결정되기 때문에 인위적으로 작게 할 수 있는 인자는 아니다. 따라서 좋은 열전재료는 낮은 격자 열전도도를 가져야 하며 이는 격자 구조의 제어를 통해 얻을 수 있다.In general, the thermal conductivity (k tot ) can be distinguished by the lattice thermal conductivity (k Latt ) and the electron thermal conductivity (k el ) as k tot = k Latt + k el , It is not an artificially small factor because it is determined according to the Wiedemann-Frantz law, Therefore, a good thermoelectric material should have a low lattice thermal conductivity, which can be obtained by controlling the lattice structure.
<수학식 2>&Quot; (2) "
Kel = LT / ρ (L = 2.44 X 10-8 ΩW/K2) K el = LT / ρ (L = 2.44 X 10 -8 ΩW / K 2)
상술한 RX[a]2의 화학식을 갖는 열전재료의 합성방법은 다결정 합성방법과 단결정 성장방법으로 나뉜다.A method of synthesizing a thermoelectric material having the chemical formula of RX [a] 2 is divided into a polycrystalline synthesis method and a single crystal growth method.
1. 다결정 합성방법1. Polycrystalline synthesis method
(1) 앰플(Ampoule)을 이용한 방법: 원료원소를 석영관 또는, 텅스텐 또는 탄탈륨 등의 금속으로 만든 앰플에 넣고 진공으로 밀봉하여 용융점 이상 또는 근처의 온도에서 수시간 내지 수십시간 동안 열처리하는 단계를 포함하는 방법.(1) Method using Ampoule: The raw material element is placed in an ampoule made of a quartz tube or a metal such as tungsten or tantalum, sealed by vacuum, and heat-treated for several hours to several hours at or above the melting point Methods of inclusion.
(2) 아크 용융(Arc melting)법: 원료원소를 챔버에 넣고 비활성기체 분위기 속에서 아크를 방전시켜 원료원소를 녹여 시료를 만드는 단계를 포함하는 방법.(2) Arc melting method: a step of placing a raw material element in a chamber and discharging an arc in an inert gas atmosphere to prepare a sample by melting the raw material element.
(3) 고상 반응법(Solid state reaction): 분말을 잘 섞어 단단하게 가공한 뒤 용융점의 70 내지 90%의 온도에서 수시간 내지 수십시간 동안 열처리하거나, 혼합분말을 용융점 이상의 온도에서 수시간 내지 수십시간 동안 열처리한 다음 상온에서 분쇄가공하고, 이를 다시 용융점의 70 내지 90%의 온도에서 수시간 내지 수십시간 동안 소결하는 단계를 포함하는 방법.(3) Solid state reaction: Solid-state reaction: the powder is well mixed and hardened and then heat-treated at a temperature of 70 to 90% of the melting point for several hours to several hours, or the mixed powder is heated for several hours to several tens of times And then sintering at a temperature of 70 to 90% of the melting point for several hours to several tens of hours.
2. 단결정 성장방법2. Single crystal growth method
(1) 금속 플럭스(Metal flux) 법: 원료원소와 원료원소가 고온에서 결정으로 잘 성장할 수 있도록 분위기를 제공하는 원료 원소, 예를 들어 조화 용융(congruent melting)할 수 있으며 원하는 결정의 용융점보다 용융점이 낮은 금속원소를 도가니에 넣고, 상기 금속 원소가 조화용융 하는 온도에서부터 결정이 생성 되는 온도까지 서냉(slow cooling)하면서, 예를 들어 1~10 oC/hour의 속도로 열처리하여 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 방법.(1) Metal flux method: A raw material element which provides an atmosphere so that a raw material element and a raw material element can grow well at high temperature, for example, congruent melting, The low metal element is placed in a crucible and the crystal is grown by heat treatment at a rate of, for example, 1 to 10 ° C / hour while slow cooling from a temperature at which the metal element coalesces and melts to a temperature at which crystals are produced Lt; / RTI >
(2) 브릿지맨(Bridgeman) 법: 원료원소를 도가니에 넣고 원료원소가 용해 될 때까지 고온, 예를 들어 원료원소 용융점 이상의 온도에서 수시간 내지 수십시간 동안 가열한 다음, 도가니 양쪽 끝에 온도차가 수 내지 수십 oC가 발생하도록 하여 고온영역을 천천히 이동시켜, 예를 들어 1~10oC/hour의 속도로 시료를 국부적으로 용해시키면서 시료 전체를 결정성장영역으로 통과하게 하여 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 방법.(2) Bridgeman method: The raw material element is placed in a crucible and heated at a high temperature, for example, at a temperature higher than the melting point of the raw material element for several hours to several tens of hours until the raw material element is dissolved, To 10 < 0 > C, so that the sample is slowly dissolved in the sample at a rate of 1 to 10 o C / hour while allowing the entire sample to pass through the crystal growth region to grow crystals Methods of inclusion.
(3) 광학 유동 영역법(Optical floating zone): 원료원소를 막대 형상으로 씨드 로드(seed rod)와 피드(feed rod)로 만든 다음 피드 로드를 램프의 빛을 한 초점에 모아 국부적으로 용해시키면서 용해부분을 위쪽으로 천천히 끌어올려 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 방법.(3) Optical floating zone: The raw material element is made into a rod-shaped seed rod and a feed rod. Then, the feed rod is locally fused by collecting the light of the lamp in a focal point, ≪ / RTI > and slowly pulling up the portion upward to grow crystals.
(4) 증기 전송(Vapor transport) 법: 원료원소를 석영관 아래쪽에 넣고 원료원소 부분을 기화온도℃에서 수시간 내지 수십시간 동안 가열하고 석영관 위쪽은 낮은 온도로 두어 원료원소가 기화되면서 낮은 온도에서 고상반응을 일으키며 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 방법.(4) Vapor transport method: The raw material element is placed under the quartz tube and the raw element part is heated at the vaporization temperature for several hours to several hours, and the upper part of the quartz tube is kept at a low temperature, And a step of growing crystals causing a solid-phase reaction.
본 발명은 상술한 다양한 방법 중 어느 것이나 제한없이 사용하여 열전재료를 제조할 수 있으며, 특별한 제한은 없다.The present invention can produce thermoelectric materials using any of the various methods described above without limitation, and there is no particular limitation.
상기와 같은 공정에 의해 얻어지는 열전재료는 추가적인 원소 도핑을 통해 전류밀도를 최적화시킴으로써 전자와 홀이 공존하는 2밴드 전도(2 band conduction)가 일어나는 경우, 전자 또는 홀 중 하나만 전도특성이 일어나게 함으로써 파워 팩터가 크고 열전도도가 매우 작은 열전재료를 만들게 된다.The thermoelectric material obtained by such a process optimizes the current density through additional element doping so that when two band conduction in which electrons and holes coexist occurs, only one of the electrons or holes conducts the conduction characteristic, Thermoelectric material with a high thermal conductivity and a high thermal conductivity.
이와 같이 원소도핑이 이루어지는 경우, 상기 열전재료는 도핑원소인 Y를 필수적으로 포함하게 되며, 그에 따라 전류밀도가 최적화되어 개선된 전기전도도를 갖게 된다. 이는 상기 수학식 1에서 파워팩터(S2σ)를 증가시키고, 그 결과 ZT값을 증가시키게 된다.When the element doping is performed as described above, the thermoelectric material essentially contains Y, which is a doping element, and thereby the current density is optimized to have improved electrical conductivity. This increases the power factor (S 2 ?) In the above equation (1) and increases the ZT value as a result.
즉, 도핑원소인 Y를 X 자리에 치환시킴으로써 홀 또는 전자 중 어느 한쪽의 전류밀도가 커지고, 그 결과로서 전자와 홀에 의한 상쇄효과를 억제할 수 있으므로, c-축으로의 전도 특성을 보다 개선하는 것이 가능해진다. 이와 같은 개선된 전도 특성으로 인해 파워팩터(S2σ)가 증가하여 제벡계수를 증가시키게 된다.In other words, by replacing the doping element Y with the X-position, the current density of either the hole or the electron becomes large, and as a result, the effect of canceling electrons and holes can be suppressed, . Due to such improved conduction characteristics, the power factor (S 2 σ) increases and the Seebeck coefficient increases.
이와 같이 도핑되는 Y성분으로서는 S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In중 하나 이상을 사용할 수 있으며, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In중 하나 이상이 바람직하다. 상기 Y 성분의 함량은 상기 화학식 1의 R성분 1몰에 대하여 2몰 미만이 좋다.As the Y component to be doped, at least one of S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga, At least one of Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga and In is preferable. The content of the Y component may be less than 2 moles per 1 mole of the R component of the formula (1).
도핑원소인 상기 Y 성분은 1성분계, 2성분계 혹은 3성분계의 형태로 첨가될 수 있으며, 상기 2성분계의 경우 몰비는 1:9 내지 9:1의 비율로 첨가될 수 있으며, 3성분계의 경우, 1 : 0.1~9.0 : 0.1~9.0 의 비율로 첨가될 수 있으나, 이들에 특별하게 한정되는 것은 아니다.The Y component, which is a doping element, may be added in the form of a one-component system, a two-component system or a three-component system. In the case of the two-component system, the molar ratio may be added in a ratio of 1: 9 to 9: 1: 0.1 to 9.0: 0.1 to 9.0, but are not limited thereto.
이와 같은 Y성분은 도핑 과정에서 상기 기본구조인 RX2-aYa의 성분 중 X 성분의 일부를 치환하게 되며, 그 결과 전류밀도를 최적화시키게 된다. 이와 같은 도핑 공정은 상기 다결정 성장방법 혹은 단결정 성장방법 중 원료원소의 일부로서 첨가하여 행해질 수 있다.In the doping process, the Y component replaces a portion of the X component of the RX 2-a Y a , which is the basic structure, and as a result, the current density is optimized. Such a doping process may be performed by adding the source material as a part of the polycrystalline growth method or the single crystal growth method.
상술한 바와 같은 본 발명의 열전재료는 낮은 열전도도를 나타냄과 동시에, 추가적으로 도핑 처리에 의해 전자 및 홀을 주입하여 전자-홀의 제벡계수 상쇄현상을 개선시켜 제벡계수를 증대시키고 전류밀도를 최적화하여 전기전도성이 개선될 수 있으므로 높은 열전성능을 기대할 수 있다.The thermoelectric material of the present invention as described above exhibits a low thermal conductivity and additionally dopes electrons and holes by doping to improve the anti-bekking factor of the electron-hole to increase the anti-coercive force and to optimize the current density, The conductivity can be improved, so that a high thermoelectric performance can be expected.
이하에서 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of examples, but the present invention is not limited thereto.
실시예 1Example 1
다결정 성장방법인 앰플(Ampoule)을 이용한 방법에 따라 원료원소인 Ce, Te 및 Sn을 소정 비율로 정량하여 석영관으로 만든 앰플에 넣고 진공으로 밀봉하여 850℃에서 24시간 동안 열처리함으로써 희토류 칼케고나이드인 CeTe2, CeTe1.95Sn0.05, CeTe1.9Sn0.1, CeTe1.7Sn0.3, CeTe1.5Sn0.5 및 CeTeSn을 각각 합성하였다. 상기 화합물의 몰비는 유도결합 플라즈마 스펙트로스코피(Inductively coupled plasma spectroscopy)를 통해 확인하였다.The raw material elements Ce, Te and Sn were quantitatively determined at predetermined ratios according to a method using an ample, which is a polycrystalline growth method, and placed in an ampoule made of quartz tube, sealed with a vacuum, and heat-treated at 850 ° C for 24 hours to obtain a rare- CeTe 2 , CeTe 1.95 Sn 0.05 , CeTe 1.9 Sn 0.1 , CeTe 1.7 Sn 0.3 , CeTe 1.5 Sn 0.5, and CeTeSn were synthesized. The molar ratio of the compounds was confirmed by inductively coupled plasma spectroscopy.
상기 CeTe2은 2차원 층상구조를 가지고 있으며, Te 층과 Ce-Te 블록 사이에 는 약한 이온결합을 형성하고 있으며, CeTe2-xSnx은 상기 CeTe2에서 Sn이 도핑되어 Te의 일부 위치를 치환한 구조를 갖고 있다.The CeTe 2 has a two-dimensional layer structure, and a weak ionic bond is formed between the Te layer and the Ce-Te block. CeTe 2-x Sn x is doped with Sn in the CeTe 2 , And has a substituted structure.
실시예 2Example 2
다결정 성장방법인 앰플(Ampoule)을 이용한 방법에 따라 원료원소인 Ce, Se 및 Sn을 소정 비율로 정량하여 석영관으로 만든 앰플에 넣고 진공으로 밀봉하여 850℃에서 24시간 동안 열처리함으로써 희토류 칼케고나이드인 CeSe2, CeSe1.9Sn0.1, CeSe1.8Sn0.2 및 CeSe1.5Sn0.5를 각각 합성하였다. 상기 화합물의 몰비는 유도결합 플라즈마 스펙트로스코피(Inductively coupled plasma spectroscopy)를 통해 확인하였다.Ce, Se and Sn as raw materials were quantitatively determined in accordance with a method using an ample, which is a polycrystalline growth method, into a ampoule made of quartz tube, sealed with a vacuum, and heat-treated at 850 ° C for 24 hours to obtain a rare- CeSe 2 , CeSe 1.9 Sn 0.1 , CeSe 1.8 Sn 0.2 and CeSe 1.5 Sn 0.5 were synthesized. The molar ratio of the compounds was confirmed by inductively coupled plasma spectroscopy.
상기 CeSe2은 도 4와 같이 b 방향으로 납작한 orthorhombic 구조로서, 2차원 층상구조를 가지고 있으며, Se 층과 Ce-Se 블록 사이에는 약한 이온결합을 형성하고 있으며, CeSe2-xSnx은 상기 CeSe2에서 Sn이 도핑되어 Se의 일부 위치를 치환한 구조를 갖고 있다.As shown in FIG. 4, the CeSe 2 has an orthorhombic structure flat in the b direction, has a two-dimensional layer structure, forms a weak ionic bond between the Se layer and the Ce-Se block, and CeSe 2-x Sn x is the CeSe 2 has a structure in which Sn is doped to replace a part of Se.
실험예 1: 열전도도 측정Experimental Example 1: Measurement of thermal conductivity
상기 실시예 1에서 얻어진 CeTe2, CeTe1.95Sn0.05, CeTe1.9Sn0.1, CeTe1.5Sn0.5 및 CeTeSn 화합물의 열전도도를 도 5에 도시하였으며, 열전도 측정 방법은 레이져 플래시(laser flash)법으로 열적 이완도(thermal relaxation)를 측정하여 계산하였다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 이들은 매우 낮은 열전도도를 나타냈으며, 특히 CeTe 2 및 CeTe 1.95 Sn 0.05 는 300K에서 1.50 내지 1.58W/mK 정도의 매우 낮은 열전도도를 가지며, 이는 상용화된 Sb-도핑된 Bi2Te3와 비교해도 대략 55% 정도 낮은 값에 해당하고, 다른 열전재료와 비교하여도 크게 낮은 값에 해당한다. CeTe2-xSnx에서 Sn의 몰비 x가 1.0 이상이 되면 열전도도가 커져 성능이 다소 저하되는 현상이 발생하였다. 상기 CeTe2 및 CeTe1.5Sn0.5의 열전도도를 상용화된 열전재료와 비교한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The thermal conductivity of the CeTe 2 , CeTe 1.95 Sn 0.05 , CeTe 1.9 Sn 0.1 , CeTe 1.5 Sn 0.5 and CeTeSn compounds obtained in Example 1 is shown in FIG. 5, and the thermal conductivity is measured by a laser flash method using thermal relaxation Thermal relaxation was measured and calculated. As can be seen from FIG. 5, they exhibited very low thermal conductivities, particularly CeTe 2 and CeTe 1.95 Sn 0.05 having very low thermal conductivities of about 1.50 to 1.58 W / mK at 300 K, which is comparable to the commercialized Sb-doped Compared to Bi 2 Te 3 , it is about 55% lower than that of Bi 2 Te 3 , which is much lower than other thermoelectric materials. When the molar ratio x of Sn in CeTe 2-x Sn x is 1.0 or more, the thermal conductivity is increased and the performance is somewhat lowered. The thermal conductivity of CeTe 2 and CeTe 1.5 Sn 0.5 is compared with that of commercially available thermoelectric materials.
[표 1][Table 1]
(Sb2Te3 33.3몰%)Bi 2 Te 3
(33.3 mol% of Sb 2 Te 3 )
(Sb2Te3 66.7몰%)Bi 2 Te 3
(66.7 mol% of Sb 2 Te 3 )
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 CeTe2 및 CeTe1.5Sn0.5의 격자로 인한 열전도도는 상용화된 열전재료와 유사하였으나 전자로 인한 열전도도가 낮아 결과적인 열전도도가 2.0 이하의 매우 낮은 값을 가짐을 알 수 있다.As shown in Table 1, the lattice constants of the CeTe 2 and CeTe 1.5 Sn 0.5 of the present invention were similar to those of the commercialized thermoelectric materials, but the low thermal conductivity due to electrons resulted in a very low value of the resulting thermal conductivity of 2.0 or less . ≪ / RTI >
상기 실시예 2에서 얻어진 CeSe2, CeSe1.9Sn0.1, CeSe1.8Sn0.2 및 CeSe1.5Sn0.5 화합물의 열전도도를 도 6에 도시하였으며 열전도 측정 방법은 레이져 플래시법으로 열 이완도를 측정하여 계산하였다. 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이 이들은 매우 낮은 열전도도를 나타냈으며, 특히 도핑 성분인 Sn의 함량이 높아짐에 따라 열 전도도가 더욱 낮아져 CeSe1.5Sn0.5는 0.2 W/mK에 이르게 된다. The thermal conductivity of the CeSe 2 , CeSe 1.9 Sn 0.1 , CeSe 1.8 Sn 0.2, and CeSe 1.5 Sn 0.5 compounds obtained in Example 2 is shown in FIG. 6, and the thermal conductivity was measured by measuring the thermal relaxation by a laser flash method. As can be seen from FIG. 6, they exhibited very low thermal conductivity, and as the content of Sn, which is a doping component, increases, the thermal conductivity is further lowered to reach 0.2 W / mK for CeSe 1.5 Sn 0.5 .
실험예 2: 제벡계수 측정Experimental Example 2: Measurement of Seebeck coefficient
상기 실시예 1에서 얻어진 CeTe2, CeTe1.95Sn0.05, CeTe1.9Sn0.1, CeTe1.5Sn0.5 및 CeTeSn 화합물의 제벡계수를 도 7에 도시하였다. 제벡계수의 측정은 4-terminal 법을 사용하였다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, CeTe2 에서 Te를 Sn으로 치환하면 제벡계수의 절대값이 커지는 것을 볼 수 있다. 상기 CeTe2의 경우, 전자와 홀이 공존하는 스몰 갭 반도체 구조를 가지며 Te 층에는 홀이, Ce-Te 블록에는 전자가 움직이므로 c-축으로의 전도 특성이 저하되어 전자와 홀에 의한 상쇄효과로 인해 제벡 계수의 저하를 유발할 수 있다. 따라서 이를 보완하여 제벡계수를 강화시킬 필요가 있으며, 그에 따라 Te 층에 Sn을 치환시킨 CeTe1.95Sn0.05, CeTe1.9Sn0.1, CeTe1.5Sn0.5 및 CeTeSn 화합물의 경우, Te 층의 캐리어를 조절하여 제벡계수를 더욱 향상시키게 된다. 이는 Sn을 Te 자리에 치환시킴으로써 전자와 홀의 전류밀도를 조절할 수 있고, 이에 따라 제벡계수가 증가하게 된다. FIG. 7 shows the Seebeck coefficients of CeTe 2 , CeTe 1.95 Sn 0.05 , CeTe 1.9 Sn 0.1 , CeTe 1.5 Sn 0.5 and CeTeSn compounds obtained in Example 1 above. The 4-terminal method was used to measure the Seebeck coefficient. As can be seen from FIG. 7, the absolute value of the Seebeck coefficient increases when Ce is substituted for Te in CeTe 2 . The CeTe 2 has a small-gap semiconductor structure in which electrons and holes coexist. Since holes are formed in the Te layer and electrons are moved in the Ce-Te block, the conduction characteristics to the c- Which may cause the degradation of the Seebeck coefficient. Therefore, it is necessary to reinforce the Seebeck coefficient to compensate for this, so that in the case of CeTe 1.95 Sn 0.05 , CeTe 1.9 Sn 0.1 , CeTe 1.5 Sn 0.5 and CeTeSn compounds substituted with Sn in the Te layer, The coefficient is further improved. This is because by substituting Sn for Te, it is possible to control the current density of electrons and holes, which increases the Seebeck coefficient.
상기 실시예 2에서 얻어진 CeSe1.9Sn0.1 및 CeSe1.8Sn0.2 화합물의 제벡계수를 도 8에 도시하였다. 상기 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, Se를 Sn으로 치환시킨 경우, Se 층의 캐리어를 조절하여 제벡계수가 개선됨으로써 이들은 비교적 높은 양의 제벡 계수를 가짐을 알 수 있다.The Seebeck coefficient of the CeSe 1.9 Sn 0.1 and CeSe 1.8 Sn 0.2 compounds obtained in Example 2 is shown in FIG. As can be seen from FIG. 8, when the Se is replaced with Sn, the Seebeck carrier is controlled to improve the Seebeck coefficient, so that they have a relatively high Seebeck coefficient.
실험예 3: 전기 저항값 측정Experimental Example 3: Measurement of electric resistance value
상기 실시예 1에서 얻어진 CeTe2, CeTe1.95Sn0.05, CeTe1.9Sn0.1, CeTe1.7Sn0.3, CeTe1.5Sn0.5 및 CeTeSn 화합물에 대하여 전기 저항을 측정하여 도 9에 도시하였다. 전기저항은 4-terminal 법으로 측정하였다. 상기 도 9에 도시한 바와 같이 도핑 처리에 의해 약 10mΩW-cm의 전기 저항을 갖는 CeTe2가 2mΩW-cm의 CeTe1.5Sn0.5의 전기 저항값을 가짐을 알 수 있다.The electrical resistance of CeTe 2 , CeTe 1.95 Sn 0.05 , CeTe 1.9 Sn 0.1 , CeTe 1.7 Sn 0.3 , CeTe 1.5 Sn 0.5 and CeTe Sn compound obtained in Example 1 was measured and shown in FIG. Electrical resistance was measured by 4-terminal method. As shown in FIG. 9, CeTe 2 having an electric resistance of about 10 mΩW-cm has an electric resistance value of CeTe 1.5 Sn 0.5 of 2 mΩW-cm by the doping treatment.
이는 도핑 처리에 의해 온도에 따른 전기 저항값도 달라질 수 있으며, 이는 도핑원소인 Sn을 Te 자리에 치환시킴으로써 홀의 개수가 많아지기 때문에 전기저항도 낮아지게 된다. This is because the electric resistance depending on the temperature may be changed by the doping treatment. This is because the number of holes is increased by substituting the doping element Sn for the Te site, so that the electric resistance is lowered.
실시예 2에서 얻어진 CeSe2, CeSe1.9Sn0.1 및 CeSe1.8Sn0.2 화합물에 대하여 전기 저항을 측정하여 도 10에 도시하였다. 전기저항은 4-terminal 법으로 측정하였다. 상기 도 10에서 알 수 있는 바와 같이 상기 CeSe2, CeSe1.9Sn0.1 및 CeSe1.8Sn0.2 화합물의 경우 매우 큰 전기저항을 가짐을 알 수 있다.The electrical resistance of the CeSe 2 , CeSe 1.9 Sn 0.1 and CeSe 1.8 Sn 0.2 compounds obtained in Example 2 was measured and shown in FIG. Electrical resistance was measured by 4-terminal method. As can be seen from FIG. 10, the CeSe 2 , CeSe 1.9 Sn 0.1 and CeSe 1.8 Sn 0.2 compounds have a very high electrical resistance.
따라서 물질에 따라 도핑 처리에 의해 전기 저항을 낮춤으로써 전기 전도도를 개선하는 것이 가능하며, 그 결과 파워 팩터가 증가하여 제벡계수의 값을 개선하는 것이 가능해짐을 알 수 있다.Therefore, it is possible to improve the electrical conductivity by lowering the electric resistance by doping depending on the material, and as a result, it is possible to improve the value of the Seebeck coefficient by increasing the power factor.
도 1은 펠티어 효과에 의한 열전냉각을 나타내는 개략도이다.1 is a schematic view showing thermoelectric cooling by the Peltier effect.
도 2는 제벡효과에 의한 열전발전을 나타내는 개략도이다.Fig. 2 is a schematic diagram showing the thermoelectric generation by the Seebeck effect.
도 3은 본 발명에 따른 RX2 - aYa 화합물의 2차원 층상구조를 나타낸다.Figure 3 shows a two-dimensional layered structure of the RX 2 - a Y a compound according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 CeSe2 화합물의 2차원 층상구조를 나타낸다.4 shows a two-dimensional layered structure of the CeSe 2 compound according to the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 얻어진 CeTe2 - xSnx (x≤1.0) 의 열전도도를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the relationship between CeTe 2 - x Sn x ( x ? 1.0) obtained in Example 1 of the present invention, Is a graph showing the thermal conductivity of the substrate.
도 6은 본 발명의 실시예 2에서 얻어진 CeSe2 - xSnx (x≤0.5) 의 열전도도를 나타내는 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing the relationship between CeSe 2 - x Sn x ( x ? 0.5) obtained in Example 2 of the present invention, Is a graph showing the thermal conductivity of the substrate.
도 7은 본 발명의 실시예 1에서 얻어진 CeTe2 - xSnx (x≤1.0) 의 제벡계수 값을 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing the relationship between CeTe 2 - x Sn x ( x ? 1.0) obtained in Example 1 of the present invention, In the graph of FIG.
도 8은 본 발명의 실시예 2에서 얻어진 CeSe2 - xSnx (x≤0.5) 의 제벡계수 값을 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing the relationship between CeSe 2 - x Sn x ( x ? 0.5) obtained in Example 2 of the present invention, In the graph of FIG.
도 9는 본 발명의 실시예 1에서 얻어진 CeTe2 - xSnx (x≤1.0) 의 전기저항 값을 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing the relationship between CeTe 2 - x Sn x ( x ? 1.0) obtained in Example 1 of the present invention, Of Fig.
도 10은 본 발명의 실시예 2에서 얻어진 CeSe2 - xSnx (x≤0.5) 의 전기저항 값을 나타내는 그래프이다.10 is a graph showing the relationship between CeSe 2 - x Sn x ( x ? 0.5) obtained in Example 2 of the present invention, Of Fig.
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KR20090106320A (en) | 2009-10-08 |
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