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KR20200068422A - Preparing method of composite thermoelectric material and the composite thermoelectric material obtained thereby - Google Patents

Preparing method of composite thermoelectric material and the composite thermoelectric material obtained thereby Download PDF

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KR20200068422A
KR20200068422A KR1020180155395A KR20180155395A KR20200068422A KR 20200068422 A KR20200068422 A KR 20200068422A KR 1020180155395 A KR1020180155395 A KR 1020180155395A KR 20180155395 A KR20180155395 A KR 20180155395A KR 20200068422 A KR20200068422 A KR 20200068422A
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thermoelectric material
composite
composite thermoelectric
thermoelectric
manufacturing
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신원호
조중영
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한국세라믹기술원
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Abstract

The present disclosure relates to a method of manufacturing a composite thermoelectric material having a composition of Cu_xBi_y Sb_(2-y)Te_3 (0 <x <= 0.1, 0 <y <2) using a melt spinning process. Therefore, the composite thermoelectric material according to the present invention can provide an excellent performance index and can be used in applications requiring high thermoelectric performance.

Description

복합 열전소재의 제조방법 및 이에 의해 수득된 복합 열전소재{PREPARING METHOD OF COMPOSITE THERMOELECTRIC MATERIAL AND THE COMPOSITE THERMOELECTRIC MATERIAL OBTAINED THEREBY}Manufacturing method of composite thermoelectric material and composite thermoelectric material obtained thereby {PREPARING METHOD OF COMPOSITE THERMOELECTRIC MATERIAL AND THE COMPOSITE THERMOELECTRIC MATERIAL OBTAINED THEREBY}

본 발명은 높은 성능지수를 갖는 복합 열전소재, 특히, 도펀트 금속을 포함하는 Bi-Te 계 복합 열전소재의 제조방법과 이에 의해 수득된 복합 열전소재에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a composite thermoelectric material having a high performance index, in particular, a Bi-Te based composite thermoelectric material comprising a dopant metal and a composite thermoelectric material obtained thereby.

열전(ThermoElectric, TE) 기술은 에너지 수집 기술로, 지구 온난화를 일으키는 온실 가스를 줄이기 위한 세계적 수요에 부응하여 재생가능하고, 지속 가능한 에너지원으로 개발되고 있다. 열전현상은 독일의 물리학자 티.제이.제벡(T.J.Seebeck)이 처음 발견하였으며, 서로 다른 두 개의 도체로 이루어진 한 회로에서 도체 간의 접점에 서로 다른 온도를 가해주면 전류 또는 전압이 발생하는 현상을 가리키며, 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는 열흐름이 전류를 발생시킨다. 이러한 현상을 제벡효과(Seebeck Effect)라고 한다. 프랑스의 장 샤를 아타나스 펠티에는 또 하나의 중요한 열전현상을 발견하였는데, 그것은 다른 도체로 이루어진 회로를 통해 직류전류를 흐르게 하면, 전류의 방향에 따라 서로 다른 도체 사이의 접합의 한쪽은 가열되는 반면, 또 다른 한쪽은 냉각되는 현상이다. 이를 펠티에 효과(Peltier Effect)라고 한다. 열전모듈, 펠티어소자, 써모일렉트릭 쿨러(ThermoElectric Cooler; TEC), 써모일렉트릭 모듈(ThermoElectric Module; TEM) 등의 다양한 이름으로 불리고 있는 열전소자는 작은 열 펌프(Heat Pump)(저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치)이다. 열전소자 양단에 직류 전압을 인가하면 열이 흡열부에서 발열부로 이동하게 되며, 따라서 시간이 지남에 따라 흡열부는 온도가 떨어지고 발열부는 온도가 상승하게 된다. 이때 인가전압의 극성을 바꿔주면 흡열부와 발열부는 서로 바뀌게 되고 열의 흐름도 반대가 된다. Thermoelectric (TE) technology is an energy collection technology, and has been developed as a renewable and sustainable energy source in response to global demand for reducing greenhouse gases causing global warming. The thermoelectric phenomenon was first discovered by the German physicist TJSeebeck, and refers to a phenomenon in which current or voltage occurs when different temperatures are applied to the contact points between conductors in one circuit composed of two different conductors. , Heat flow from hot to cold generates current. This phenomenon is called the Seebeck Effect. France's Jean-Charles Athanas Peltier discovered another important thermoelectric phenomenon, which causes a direct current to flow through a circuit made up of different conductors, while heating one side of the junction between the different conductors depending on the direction of the current, The other side is a phenomenon of cooling. This is called the Peltier Effect. Thermoelectric elements, which are called by various names such as thermoelectric modules, Peltier elements, thermoelectric coolers (TEC), and thermoelectric modules (TEM), are small heat pumps (absorb heat from low temperature heat sources) Device to give heat to a high temperature heat source. When a DC voltage is applied to both ends of the thermoelectric element, heat moves from the heat absorbing portion to the heat generating portion, and thus, as time passes, the temperature of the heat absorbing portion decreases and the temperature of the heat generating portion increases. At this time, if the polarity of the applied voltage is changed, the heat absorbing part and the heat generating part are interchanged, and the heat flow is reversed.

이러한 열전 기술은 버려진 폐열을 활용하여 전력을 생산하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 열전 장치의 효율은 열전 재료의 성능에 의해 크게 좌우되기 때문에, 고성능 열전 재료는 폐열을 전기로 전환시켜 전력을 생성하거나 전기를 사용하여 온도 차이를 발생시켜 냉각시키는데 있어 매우 중요하다. This thermoelectric technology is expected to play an important role in generating power by utilizing waste heat. Since the efficiency of a thermoelectric device is greatly influenced by the performance of a thermoelectric material, a high performance thermoelectric material is very important in cooling by converting waste heat into electricity to generate electric power or using electricity to generate a temperature difference.

열전 재료의 성능은 무차원(dimensionless)의 성능 지수(figure of merit)인 ZT 값에 의해 결정된다. 그러나 높은 ZT 값을 가지는 열전 재료를 제조하는 것에 많은 어려움이 있다.The performance of thermoelectric materials is determined by the ZT value, which is a dimensionless figure of merit. However, there are many difficulties in manufacturing a thermoelectric material having a high ZT value.

성능 지수는 전기 전도도(σ)와 제벡 계수(S)의 제곱을 곱한 파워 팩터(PF)에 온도(T)를 곱한 후 열 전도도(κ)로 나눈 값으로 정의된다. 또한, 열 전도도 (κ)는 격자 열 전도도 (κlat)와 전기적 열 전도도(κel)의 합으로 주로 결정된다.The performance index is defined as the power factor (PF) multiplied by the square of the electrical conductivity (σ) and the Seebeck coefficient (S) multiplied by the temperature (T) and divided by the thermal conductivity (κ). In addition, the thermal conductivity (κ) is mainly determined by the sum of the lattice thermal conductivity (κ lat ) and electrical thermal conductivity (κ el ).

ZT = σS2T / κZT = σS 2 T / κ

여기서 전기 전도도와 제벡 계수는 캐리어 농도에 따라 반비례 관계를 가지기 때문에 성능 계수를 높이는 것에 어려움이 있다.Here, since the electrical conductivity and Seebeck coefficient have an inverse relationship with carrier concentration, it is difficult to increase the performance coefficient.

이러한 이유로 성능 계수는 오랜 기간 동안 성능 지수 값의 한계를 가지는 것으로 여겨졌다. 최근 연구를 통해 열 전도도를 낮춤으로써 개선된 성능 계수를 가지는 열전 재료가 개발되고 있으나, 아직 높은 성능 지수를 갖는 다양한 물질들이 더욱 필요하다.For this reason, the coefficient of performance was considered to have a limit on the value of the performance index for a long period of time. Recently, thermoelectric materials having improved performance coefficients have been developed by lowering thermal conductivity, but various materials having a high performance index are still needed.

한국등록특허공보 제10-1719928호 (2017.03.20)Korean Registered Patent Publication No. 10-1719928 (2017.03.20)

이하에 기술된 실시예들은 높은 성능 계수를 가지는 복합 열전 소재를 제조하는 기술을 제공한다.The embodiments described below provide a technique for manufacturing a composite thermoelectric material having a high coefficient of performance.

상기의 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 MxBiySb2-yTe3 (0 < x ≤ 0.1, 0 < y < 2)의 조성을 갖는 복합 열전소재의 제조방법으로서, As one aspect for achieving the above object, the present invention is a method of manufacturing a composite thermoelectric material having a composition of M x Bi y Sb 2-y Te 3 (0 <x ≤ 0.1, 0 <y <2),

상기 M은 구리, 납, 은, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나이고,M is any one selected from the group consisting of copper, lead, silver, and combinations thereof,

상기 제조방법은The manufacturing method

Bi, Sb, Te, 및 M 원료 물질을 혼합하여 복합 원료를 준비하는 단계;Preparing a composite raw material by mixing Bi, Sb, Te, and M raw material;

상기 복합 원료를 이용하여 잉곳(ingot) 또는 펠릿 형태의 복합 열전소재를 제조하는 단계;Manufacturing a composite thermoelectric material in the form of an ingot or pellet using the composite raw material;

상기 잉곳 또는 펠릿 형태의 복합 열전소재를 용융 스피닝(melt-spinning)시켜 리본(ribbon)을 형성하는 단계;Forming a ribbon by melt-spinning the ingot or pellet-shaped composite thermoelectric material;

상기 리본을 분쇄(pulverize)하는 단계; 및Pulverizing the ribbon; And

상기 분쇄된 리본을 소결하는 단계Sintering the crushed ribbon

를 포함하는, 복합 열전소재의 제조방법을 제공한다. It provides a method for producing a composite thermoelectric material, including.

높은 성능지수 값을 갖는 열전소재를 제공하기 위해 Bi-Te 계 열전소재가 많이 연구되었으며, 이 중 BiySb2-yTe3 (0 < y < 2)의 조성을 갖는 열전소재(이하 “BST”로도 지칭됨), 바람직하게는 Bi0.5Sb1.5Te3의 조성을 갖는 열전소재가 많이 연구되었다. 이러한 BST 열전소재는 실온까지는 비교적으로 높은 열전성능을 가지나, 이보다 높은 온도, 예를 들면 약 100℃의 온도에서는 열전성능이 크게 떨어져 실온보다 높은 온도를 필요로 하는 경우에는 사용에 많은 제약이 있었다. In order to provide thermoelectric materials with high performance index values, many Bi-Te-based thermoelectric materials have been studied, among which thermoelectric materials having a composition of Bi y Sb 2-y Te 3 (0 <y <2) (hereinafter “BST”) Also referred to as), preferably Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 has a composition of thermoelectric material has been studied a lot. These BST thermoelectric materials have relatively high thermoelectric performance up to room temperature, but there are many limitations in their use when a temperature higher than room temperature is required, for example, at a temperature higher than this, for example, at a temperature of about 100° C., the thermoelectric performance is significantly lower.

특히, 열전 성능은 성능지수 값을 증가시키는 것 뿐만 아니라, 최대 성능 지수 값을 나타내는 온도를 높은 온도범위로 이동시키거나(shifting) 더 넓은 온도 범위 동안 성능 지수 값을 유지시키는 것에도 직접 영향을 받는다. TE 발전기 (TE generator)의 최대 에너지 전환 효율(ηmax)는 다음 식으로 추정된다:In particular, thermoelectric performance is directly affected not only by increasing the performance index value, but also by shifting the temperature representing the maximum performance index value to a high temperature range or maintaining the performance index value for a wider temperature range. . The maximum energy conversion efficiency (η max ) of a TE generator is estimated by the following equation:

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 식에서 Th, Tc, Tavg, 및 ΔT는 각각 뜨거운 곳의 온도, 차가운 곳의 온도, 평균 온도((Th+Tc)/2), 및 뜨거운 곳의 온도 및 차가운 곳의 온도의 온도차(Th-Tc)이다. 즉, 최대 TE 효율은 열전소재의 평균 ZT 값에 좌우된다. 따라서, Bi-Te 계 열전소재에서 고온에서의 ZT 값의 현저한 감소에 대한 문제점을 해결해야 할 필요성이 있다. 특히, 폐열로부터 에너지를 생산하는 기술에 이러한 Bi-Te 계 열전소재를 이용하기 위해서는 높은 성능지수를 나타내는 온도를 실온에서 보다 높은 온도 영역으로 옮기는 것이 매우 중요하다. In the above equation, T h , T c , T avg , and ΔT are the hot temperature, cold temperature, average temperature ((T h +T c )/2), and hot temperature and cold temperature, respectively. It is the temperature difference (T h -T c ). That is, the maximum TE efficiency depends on the average ZT value of the thermoelectric material. Therefore, there is a need to solve the problem of a significant decrease in ZT value at high temperatures in Bi-Te-based thermoelectric materials. In particular, in order to use such a Bi-Te-based thermoelectric material in a technique for producing energy from waste heat, it is very important to move a temperature exhibiting a high performance index from room temperature to a higher temperature range.

한편, 열전소재의 성능을 높이고, 특히 높은 열전성능을 갖는 온도 영역을 이동시키기 위해 열전소재에 다양한 도펀트 물질을 첨가하는 시도가 많이 이루어지고 있으며, BST매트릭스에 다양한 도펀트 물질을 첨가하는 시도도 많이 이루어지고 있다. 그러나, 실온보다 높은 온도, 즉, 중온 영역인 약 298K 내지 약 550K의 온도 영역에서도 우수한 열전 성능을 나타내는 BST 복합 열전소재를 제공하는 데에는 아직 어려움이 따른다. 이에 본 발명자들은 특정 금속, 구체적으로는 Cu, Pb 또는 Ag을 도펀트로 BST매트릭스에 첨가하고, 용융 스피닝 공정을 통해 복합 열전소재를 제조하는 경우 실온 내지 중온 영역에서 높은 열전성능을 나타내는 것을 확인하였고, 본 개시는 이에 기초한다. On the other hand, many attempts have been made to add various dopant materials to the thermoelectric material in order to increase the performance of the thermoelectric material, especially to move the temperature region having high thermoelectric performance, and many attempts have been made to add various dopant materials to the BST matrix. ought. However, there are still difficulties in providing a BST composite thermoelectric material exhibiting excellent thermoelectric performance even at a temperature higher than room temperature, that is, in the temperature range of about 298K to about 550K, which is the medium temperature region. Accordingly, the present inventors confirmed that when a specific metal, specifically, Cu, Pb, or Ag is added to the BST matrix as a dopant, and a composite thermoelectric material is manufactured through a melt spinning process, it exhibits high thermoelectric performance in a room temperature to medium temperature region. This disclosure is based on this.

상기 복합 원료를 준비하는 단계는 최종적으로 생성되는 각각의 BST와 도펀트 금속 M의 몰 비율을 계산하여 준비될 수 있다. 몰 비율에 따라 미리 계산된 각각의 금속, Bi, Sb, Te, M를 각각 혼합하여 복합 원료를 준비할 수 있다. 최종적으로 생성되는 복합 열전소재는 MxBiySb2-yTe3 (0 < x ≤ 0.1, 0 < y < 2)의 조성을 가질 수 있다. 구체적으로, 생성되는 복합 열전소재의 조성은 0.005 ≤ x ≤ 0.05, 0.01 ≤ x ≤ 0.04, 또는 0.015 ≤ x ≤ 0.025일 수 있다. 또한, 생성되는 복합 열전소재의 조성은 0 < y < 1, 0.4 ≤ y ≤ 0.6, 또는 y = 0.5일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 복합 열전소재의 BST의 조성은 Bi0.5Sb1.5Te3일 수 있다. 생성되는 복합 열전소재의 조성에 맞춰 각 금속들을 포함하도록 계산되어, 각각의 계산된 양의 금속들을 혼합할 수 있다.The step of preparing the composite raw material may be prepared by calculating the molar ratio of each BST and dopant metal M finally produced. Each of the metals, Bi, Sb, Te, and M previously calculated according to the molar ratio may be mixed to prepare a composite raw material. The composite thermoelectric material finally produced may have a composition of M x Bi y Sb 2-y Te 3 (0 <x ≤ 0.1, 0 <y <2). Specifically, the composition of the resulting composite thermoelectric material may be 0.005 ≤ x ≤ 0.05, 0.01 ≤ x ≤ 0.04, or 0.015 ≤ x ≤ 0.025. In addition, the composition of the resulting composite thermoelectric material may be 0 <y <1, 0.4 ≤ y ≤ 0.6, or y = 0.5. In one embodiment, the composition of the BST of the composite thermoelectric material may be Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 . It is calculated to include each metal according to the composition of the resulting composite thermoelectric material, so that each calculated amount of metals can be mixed.

상기 복합 원료를 이용하여 잉곳(ingot) 또는 펠릿 형태의 복합 열전소재를 제조하는 단계는 앞선 단계에서 생성된 복합 원료를 가열하고 급냉시키는 단계를 포함한다. 구체적으로, 상기 복합 원료를 진공 석영 앰플 내에 실링시키고, 이를 4-8 시간 동안 1200K 내지 1300K에서 가열하고, 이를 차가운 물을 이용하여 급냉시킬 수 있다.The step of manufacturing a composite thermoelectric material in the form of an ingot or pellet using the composite raw material includes heating and rapidly cooling the composite raw material produced in the previous step. Specifically, the composite raw material can be sealed in a vacuum quartz ampoule, heated at 1200K to 1300K for 4-8 hours, and quenched using cold water.

상기 리본을 형성하는 단계의 용융 스피닝은 잉곳 또는 펠릿 형태의 복합 열전소재를 용융시키는 단계 및 용융된 열전 소재를 노즐을 통해 금속 휠, 예를 들면 Cu 휠에 분출시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 용융 스피닝법에서 용융된 열전 소재를 노즐을 통해 분출시키는 단계에서 챔버 압력은 0.01MPa 내지 0.1MPa, 구체적으로 0.02 MPa 내지 0.05 MPa, 보다 구체적으로 약 0.03 MPa의 범위에서 수행되고, 챔버 내부는 비활성 기체, 구체적으로 아르곤 기체 분위기 하에서 수행되는 것일 수 있다.The melting spinning of the step of forming the ribbon may include melting a composite thermoelectric material in the form of an ingot or pellet and ejecting the molten thermoelectric material through a nozzle to a metal wheel, for example, a Cu wheel. In the step of ejecting the molten thermoelectric material through the nozzle in the melt spinning method, the chamber pressure is performed in a range of 0.01 MPa to 0.1 MPa, specifically 0.02 MPa to 0.05 MPa, more specifically about 0.03 MPa, and the chamber interior is inactive It may be carried out under a gas, specifically an argon gas atmosphere.

상기 휠의 회전속도는 100 내지 4000rpm, 구체적으로 200 내지 1000rpm, 보다 구체적으로 400 내지 600rpm에서 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 500 rpm을 사용하여 우수한 열전 성능을 나타내는 복합 열전소재가 제조될 수 있음을 확인하였다. 상기 회전속도를 조절함에 따라 상이한 열전 성능을 나타내는 복합 열전소재의 제조가 가능하며, 일 실시예에서는 회전속도가 500rpm인 경우에 회전속도가 1000rpm, 2000rpm, 및 4000rpm인 경우보다 더 우수한 열전성능을 갖는 열전소재가 제조됨을 확인하였다. The rotational speed of the wheel may be performed at 100 to 4000 rpm, specifically 200 to 1000 rpm, and more specifically 400 to 600 rpm. In one embodiment, it was confirmed that a composite thermoelectric material exhibiting excellent thermoelectric performance can be manufactured using 500 rpm. By adjusting the rotational speed, it is possible to manufacture a composite thermoelectric material exhibiting different thermoelectric performance, and in one embodiment, when the rotational speed is 500 rpm, the rotational speed has better thermoelectric performance than 1000 rpm, 2000 rpm, and 4000 rpm. It was confirmed that the thermoelectric material was produced.

상기 리본을 분쇄(pulverize)하는 단계는 볼 밀링(ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling), 고에너지 밀링(high energy milling), 제트 밀링(zet milling), 막자 사발 등에서 분쇄하는 방법 등을 이용할 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 건식으로 원료를 분쇄하여 분말을 제조하는 방법으로서 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 것이라면 모두 가능하다.The step of pulverizing the ribbon includes ball milling, attrition milling, high energy milling, jet milling, a method of crushing in a mortar, etc. It can be used, but is not necessarily limited to these, and any method that can be used in the art as a method of manufacturing a powder by crushing a raw material by dry is possible.

상기 분쇄된 리본을 소결하는 단계는 소결 전에 분쇄된 리본을 흑연 몰드에 팩킹하는 단계를 포함할 수 있다. 소결 과정은 복합체 분말을 스파크 플라즈마 소성법(Spark Plasma Sintering method), 핫프레스 소결(hot press sintering) 등을 이용할 수 있으나 이에 한정되지 않고 당해 업계에서 소결 방법으로 사용될 수 있는 것으로 알려진 다른 방법 또한 가능하다. 또한, 소결은 500K 내지 1000K, 구체적으로 700K 내지 800K의 온도, 1Pa 내지 100Pa, 구체적으로 10 내지 90Pa, 보다 구체적으로 50 내지 70Pa의 압력 및 진공에서 1분 내지 10분 동안 수행될 수 있으나 반드시 이러한 조건으로 한정되지 않으며 상기 복합 열전소재의 성능계수를 향상시킬 수 있는 범위 내에서 적절히 변경될 수 있다. 소결된 복합 열전소재는 펠릿 형태, 구체적으로 원기둥 모양의 펠릿으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서 제조된 펠릿은 10 내지 15mm의 직경을 갖고, 5 내지 15 mm의 높이를 갖는다.The step of sintering the crushed ribbon may include packing the crushed ribbon in a graphite mold before sintering. The sintering process may use a spark plasma sintering method, hot press sintering, and the like, but is not limited thereto, and other methods known to be used as a sintering method in the art are also possible. . In addition, the sintering may be performed for 1 minute to 10 minutes at a pressure of 500K to 1000K, specifically 700K to 800K, 1Pa to 100Pa, specifically 10 to 90Pa, more specifically 50 to 70Pa and vacuum, but necessarily under these conditions It is not limited to and may be appropriately changed within a range capable of improving the performance coefficient of the composite thermoelectric material. The sintered composite thermoelectric material may be formed into pellets, specifically, cylindrical pellets. The pellets prepared in one embodiment have a diameter of 10 to 15 mm and a height of 5 to 15 mm.

본 개시에 따른 제조방법에 의해 제조된 M-BST 복합 열전소재는 1-5㎛, 2-3㎛, 또는 2.5-2.99㎛의 평균 그레인(grain) 크기를 가질 수 있다. The M-BST composite thermoelectric material manufactured by the manufacturing method according to the present disclosure may have an average grain size of 1-5 μm, 2-3 μm, or 2.5-2.99 μm.

본 개시에 따른 제조방법에 의해 제조된 M-BST 복합 열전소재는 도펀트 금속의 첨가로 인해 별도의 이차상(secondary phase)을 형성하지 않고 도펀트 금속 M이 BST 결정 구조 내로 혼입되는 것일 수 있다. 구체적으로, 프리스틴(pristine) BST는 아래와 같은 결정 구조를 가진다. The M-BST composite thermoelectric material manufactured by the manufacturing method according to the present disclosure may be one in which the dopant metal M is incorporated into the BST crystal structure without forming a separate secondary phase due to the addition of the dopant metal. Specifically, pristine (pristine) BST has the following crystal structure.

Figure pat00002
Figure pat00002

이러한 BST 구조에 도펀트 금속 M이 도핑되는 경우 금속 M은 Bi 위치 또는 Sb 위치에 치환되어 들어가게 된다. Bi 및 Sb의 원자 반지름은 각각 160 pm 및 145 pm이고, 도펀트 금속 Pb, Cu, Ag의 원자 반지름은 각각 180 pm, 135 pm, 및 160 pm로, 서로 유사한 크기를 갖는다. 따라서, Cu, Ag, 또는 Pb로 도핑되는 경우 이들 원소는 유사한 크기를 갖는 Bi 및 Sb의 위치로 치환될 수 있다. 다만, 도펀트 금속의 함량이 BST 1몰당 0.1 몰을 넘는 경우 이차상이 형성될 수 있으므로, 본 개시에서는 0.1 몰 이하의 도펀트 금속을 도핑시킨다. 일 실시예에서는, 도펀트 금속으로 Cu를 이용하여 열전소재를 제조하였고, 제조된 복합 열전소재의 SEM 이미지를 관찰한 결과 모든 Cu 함량의 열전소재에서 이차상이 형성되지 않는 것을 확인하였다. 즉, 도핑된 Cu가 모두 BST 결정 구조 내로 혼입되는 것을 확인하였다. When the dopant metal M is doped into the BST structure, the metal M is substituted into the Bi position or the Sb position. The atomic radii of Bi and Sb are 160 pm and 145 pm, respectively, and the atomic radii of the dopant metals Pb, Cu, Ag are 180 pm, 135 pm, and 160 pm, respectively, and have similar sizes. Thus, when doped with Cu, Ag, or Pb, these elements can be substituted with positions of Bi and Sb having similar sizes. However, since the secondary phase may be formed when the content of the dopant metal exceeds 0.1 mol per 1 mol of BST, in the present disclosure, dopant metal of 0.1 mol or less is doped. In one embodiment, a thermoelectric material was prepared using Cu as a dopant metal, and as a result of observing the SEM image of the prepared composite thermoelectric material, it was confirmed that a secondary phase was not formed in the thermoelectric material having all Cu content. That is, it was confirmed that all of the doped Cu is incorporated into the BST crystal structure.

본 개시에 따른 제조방법에 의해 제조된 M-BST 복합 열전소재는 p-형 열전소재일 수 있다. 일반적인 열전소자는 n-형과 p-형 열전소재 1쌍이 기본 단위가 된다. 직류(DC) 전압을 양단에 인가하면 n-형에서는 전자의 흐름에 따라, p-형에서는 정공(Hole)의 흐름에 따라 열이 이동하여 흡열부의 온도가 낮아지게 된다. 이는 금속 내의 전자의 포텐셜 에너지 차가 있고 포텐셜 에너지가 낮은 상태에 있는 금속으로부터 높은 상태에 있는 금속으로 전자가 이동하기 위해서는, 외부로부터 에너지를 얻어야 하기 때문에 접점에서 열에너지를 빼앗기고 반대의 경우에는 열에너지가 방출되게 되는 원리이다. 이러한 흡열(냉각)은 전류의 흐름과 써모일렉트릭 커플(thermoelectric couple)(n형, p형 1쌍)의 수에 비례하게 된다. 본 발명자들은 본 개시에 따른 복합 열전소재가 p-형 열전소재로서 우수한 열전성능을 나타냄을 확인하였다. 특히, p형 열전소재인 BST에 특정 도펀트 금속 Cu, Ag 또는 Pb이 첨가되어 열전소재의 전기 전도도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 일 실시예에서 Cu가 포함된 열전소재는 Cu가 포함되지 않은 열전소재에 비해 더 우수한 전기 전도도를 갖는 것을 확인하였다. 이러한 전기전도도의 향상은 Cu 첨가에 따른 캐리어 농도의 증가로 인한 것이다. Cu 첨가로 인해 캐리어 이동도가 다소 감소되어, 상반된 결과를 나타내지만, 이러한 영향을 모두 종합하면 Cu 첨가로 인해 Cu-BST 전기 전도도는 BST에 비해 매우 높은 값을 나타낸다. The M-BST composite thermoelectric material manufactured by the manufacturing method according to the present disclosure may be a p-type thermoelectric material. In a typical thermoelectric element, a pair of n-type and p-type thermoelectric materials is a basic unit. When a direct current (DC) voltage is applied to both ends, heat is moved according to the flow of electrons in the n-type and in the flow of holes in the p-type, so that the temperature of the heat absorbing portion is lowered. This is because electrons in the metal have a potential energy difference, and in order for electrons to move from a metal having a low potential energy to a metal having a high potential, energy must be obtained from the outside, thereby dissipating thermal energy from the contact point and vice versa. That is the principle. This endotherm (cooling) is proportional to the flow of current and the number of thermoelectric couples (1 pair of n-type and p-type). The present inventors confirmed that the composite thermoelectric material according to the present disclosure shows excellent thermoelectric performance as a p-type thermoelectric material. Particularly, it was confirmed that a specific dopant metal Cu, Ag, or Pb was added to the p-type thermoelectric material BST to improve the electrical conductivity of the thermoelectric material. In one embodiment, it was confirmed that the thermoelectric material containing Cu has better electrical conductivity than the thermoelectric material not containing Cu. This improvement in electrical conductivity is due to the increase in carrier concentration with the addition of Cu. The carrier mobility is slightly decreased due to the addition of Cu, and the opposite results are obtained, but when all of these effects are combined, the Cu-BST electrical conductivity is very high compared to the BST due to the addition of Cu.

본 개시에 따른 제조방법에 의해 제조된 M-BST 복합 열전소재는 특정한 도펀트 금속 Cu, Ag, Pb를 사용하는 이상 서로 유사한 결과를 가진다. 앞서 설명한 것과 같이, 도펀트 금속은 Bi 또는 Sb 위치에 치환되어 들어가고 이의 산화수 차이로 인해 전기 전도도를 증가시킨다. 구체적으로, Cu, Ag, Pb는 모두 2가 양이온으로 안정화되는 원소이고, Bi, Sb는 모두 3가 양이온으로 안정화되는 원소이다. 따라서, Bi 또는 Sb 위치가 Cu, Ag 또는 Pb로 치환되는 경우 정공(hole)이 발생하게 되며, p-형 소재인 BST 소재에서 캐리어 농도를 증가시키게 된다. 이에 따라, Cu, Ag 또는 Pb로 도핑된 BST 열전소재의 전기전도도는 프리스틴 BST에 비해 더 높은 값을 갖게 되며, 이는 파워팩터의 향상 및 고온 성능 지수의 증가로 이어진다. The M-BST composite thermoelectric materials produced by the manufacturing method according to the present disclosure have similar results as long as they use specific dopant metals Cu, Ag, and Pb. As described above, the dopant metal is substituted at the Bi or Sb position and increases the electrical conductivity due to the difference in its oxidation number. Specifically, Cu, Ag, and Pb are all elements stabilized with divalent cations, and Bi and Sb are elements stabilized with trivalent cations. Therefore, when the Bi or Sb position is replaced with Cu, Ag, or Pb, holes are generated, and the carrier concentration is increased in the BST material, which is a p-type material. Accordingly, the electrical conductivity of the BST thermoelectric material doped with Cu, Ag, or Pb has a higher value than Pristine BST, which leads to an improvement in the power factor and an increase in the high temperature performance index.

본 개시에 따른 제조방법에 의해 제조된 M-BST 복합 열전소재는 중온 영역, 구체적으로 298K 내지 550K, 보다 구체적으로 300K 내지 500K에서 BST보다 우수한 열전성능을 갖는 가지며, 최대 약 1.2 내지 1.4, 구체적으로 약 1.34의 성능 지수 값을 갖는다. 또한, 본 개시에 따른 제조방법에 의해 제조된 M-BST 복합 열전소재는 298K 내지 523K에서 0.8 이상의 성능 지수(ZT) 값을 가질 수 있고, 구체적으로, 298K 내지 473K에서 1.0 이상의 성능 지수 값을 가질 수 있다. The M-BST composite thermoelectric material produced by the manufacturing method according to the present disclosure has superior thermoelectric performance than BST in the medium temperature region, specifically 298K to 550K, more specifically 300K to 500K, and up to about 1.2 to 1.4, specifically It has a performance index value of about 1.34. In addition, the M-BST composite thermoelectric material manufactured by the manufacturing method according to the present disclosure may have a performance index (ZT) value of 0.8 or higher at 298K to 523K, specifically, a performance index value of 1.0 or higher at 298K to 473K. Can be.

BST는 실온을 넘는 온도에서 열전성능이 현저히 감소되나, 도펀트 금속 M의 첨가로 인해 실온을 넘는 온도에서도 우수한 열전성능을 갖는다. 일 실시예에서는 도펀트 금속으로 Cu를 첨가하고, BST 1몰당 Cu가 0.02몰 첨가되는 경우, 약 400K에서 약 1.34의 성능 지수 값을 갖는 것을 확인하였다. 또한, 실온에서부터 약 400K에 이를 때까지 성능 지수 값이 꾸준히 증가하고 그 이상의 온도부터 값이 감소하였으나, 약 300K에서 473K에 이르는 온도 구간 동안 계속하여 1이상의 성능 지수 값을 갖는 것을 확인하였다. 즉, 폐열 등을 이용하기에 적합한 온도에서 본 개시에 따른 열전소재가 매우 높은 성능지수 값을 유지할 수 있음을 확인하였다. 또한, 일 실시예에서는 실온에서부터 523K에 이르는 온도 구간에 따른 성능 지수 값의 평균을 분석하였으며, Cu가 포함된 BST 복합 열전소재 모두가 Cu가 포함되지 않은 BST 열전소재에 비해 우수한 평균 성능 지수 값을 나타냈다. BST has a significant decrease in thermoelectric performance at temperatures above room temperature, but has excellent thermoelectric performance even at temperatures above room temperature due to the addition of dopant metal M. In one embodiment, when Cu is added as a dopant metal, and when 0.02 mol of Cu is added per 1 mol of BST, it is confirmed that it has a performance index value of about 1.34 at about 400K. In addition, it was confirmed that the performance index value steadily increased from room temperature to about 400K and decreased from the above temperature, but continued to have a performance index value of 1 or more during the temperature range from about 300K to 473K. That is, it was confirmed that the thermoelectric material according to the present disclosure can maintain a very high performance index value at a temperature suitable for using waste heat or the like. In addition, in one embodiment, the average of the performance index values according to the temperature range from room temperature to 523K was analyzed, and all of the BST composite thermoelectric materials containing Cu showed superior average performance index values compared to the BST thermoelectric materials not containing Cu. Showed.

특히, 본 개시에서 확인한 이러한 특정한 도펀트 금속 첨가에 따른 효과는 단순한 도핑으로써 확인된 효과가 아니고, 용융 스피닝(Melt-spinning) 방법과의 조합에 따른 효과이다. 일 실시예에서는 도펀트 금속으로 Cu를 이용하고, 용융 스피닝 과정을 이용하여 제조한 Cu-BST와 용융 스피닝 과정을 거치지 않고 제조된, 즉 종래의 열전소재의 제조방법에 따라 제조된 Cu-BST의 열전성능을 비교하였으며, 용융 스피닝 과정을 거친 열전소재의 열전성능이 훨씬 우수하다는 확인하였다. 즉, 본 개시는 복합 열전소재를 제조함에 있어서 특정한 도펀트, 즉 Cu, Pb, 또는 Ag의 첨가와 특정한 제조공정을 함께 이용하는 경우 얻을 수 있는 열전성능의 상승 효과에 관한 것이다. In particular, the effect of adding this particular dopant metal identified in the present disclosure is not an effect confirmed by simple doping, but an effect in combination with a melt-spinning method. In one embodiment, Cu is used as a dopant metal, and the Cu-BST produced by using the melt spinning process and the Cu-BST manufactured without the melt spinning process, that is, the thermoelectric of Cu-BST manufactured according to the conventional method of manufacturing a thermoelectric material The performance was compared, and it was confirmed that the thermoelectric performance of the thermoelectric material subjected to the melt spinning process was much superior. That is, the present disclosure relates to the synergistic effect of the thermoelectric performance that can be obtained when a specific manufacturing process is used together with the addition of a specific dopant, namely Cu, Pb, or Ag, in the production of a composite thermoelectric material.

일 실시예에서, 본 개시에 따른 제조방법에 의해 제조된 복합 열전소재는 Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3의 조성을 가지며, 용융 스피닝 공정을 거쳐 제조되었고, 이 때 휠의 회전속도는 500rpm이다. 이러한 복합 열전소재는 약 400K에서 약 1.34의 성능 지수 값을 갖고, 중온 영역, 즉 298K에서 523K에서 약 1.17의 평균 성능 지수 값을 가지며, 298K에서 473K의 온도에서 계속 1.0 이상의 성능 지수 값을 유지하는 것을 확인하였다. In one embodiment, the composite thermoelectric material produced by the manufacturing method according to the present disclosure has a composition of Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , and is manufactured through a melt spinning process, wherein the rotational speed of the wheel is 500 rpm. This composite thermoelectric material has a performance index value of about 1.34 at about 400K, an average performance index value of about 1.17 at 298K to 523K at a medium temperature region, and maintains a performance index value of 1.0 or higher at a temperature of 473K at 298K. Was confirmed.

다른 하나의 양태로서, 본 발명은 앞서 설명된 MxBiySb2-yTe3 (0 < x ≤ 0.1, 0 < y < 2)의 조성을 갖는 복합 열전소재의 제조방법에 의해 제조되는 복합 열전소재를 제공한다. 제조된 복합 열전소재는 앞서 설명한 것과 동일하다. In another aspect, the present invention is a composite thermoelectric produced by the method of manufacturing a composite thermoelectric material having the composition of M x Bi y Sb 2-y Te 3 (0 <x ≤ 0.1, 0 <y <2) described above Provide material. The composite thermoelectric material produced is the same as described above.

본 개시에 따른 복합 열전소재는 우수한 성능 지수를 제공할 수 있다. 따라서, 높은 열전성능을 필요로 하는 응용 분야에 이용될 수 있다. 본 개시의 복합 열전소재는 재료의 양단 간의 온도차가 주어지면 제벡(Seebeck) 효과에 의해 전압이 발생하는 것을 이용하는 열전발전(Thermoelectric Power Generation)과, 재료의 양단 간에 직류전류를 인가하면 한 면이 발열하고 다른 면이 흡열하는 펠티에(Peltier) 효과를 이용하는 열전냉각(Thermoelectric Cooling) 등에 응용될 수 있다. 특히, 본 개시에 따른 복합 열전소재는 중온 영역에서 이러한 우수한 열전성능을 가지므로, 실온보다 높은 중온 영역에서 이러한 열전 효과를 필요로 하는 분야에 응용될 수 있다. The composite thermoelectric material according to the present disclosure can provide an excellent performance index. Therefore, it can be used in applications requiring high thermoelectric performance. The composite thermoelectric material of the present disclosure is a thermoelectric power generation that uses a voltage generated by a Seebeck effect when a temperature difference between both ends of a material is applied, and one side generates heat when a DC current is applied between both ends of the material. And it can be applied to the thermoelectric cooling (Thermoelectric Cooling) using the Peltier (Peltier) effect of the other side endothermic. In particular, the composite thermoelectric material according to the present disclosure has such excellent thermoelectric performance in a medium temperature region, and thus can be applied to a field requiring such a thermoelectric effect in a medium temperature region higher than room temperature.

도 1은 제조예3에 따라 제조된 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm)의 XRD 결과를 나타낸다. 비교를 위해 프리스틴(pristine) Bi0.5Sb1.5Te3의 XRD 패턴을 함께 나타낸다.
도 2는 제조예 3에 따라 제조된 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 및 CM-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3의 XRD 결과를 나타낸다.
도 3은 제조예 2에 따라 용융스피닝(MS) 공정을 거쳐 제조된 리본 형태의 그라인딩 및 소결 과정을 거치지 않은 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm)의 스케일1㎛에서 관찰된 SEM 이미지이다. a는 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, b는 Cu0.01Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, c는 Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, d는 Cu0.04Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지이다.
도 4는 제조예 2에 따라 용융스피닝(MS) 공정을 거쳐 제조된 리본 형태의 그라인딩 및 소결 과정을 거치지 않은 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm)의 단면 SEM 이미지로 각각 스케일10㎛, 300nm, 300nm에서 관찰된 이미지이다. a-c는 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, d-f는 Cu0.01Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, g-i는 Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, j-l은 Cu0.04Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지이다. 또한, 왼쪽 이미지는 전체적인 단면도를, 가운데 이미지는 구리 휠에 대한 접촉 표면을, 오른쪽 이미지는 자유 표면을 나타낸다.
도 5는 제조예3에 따라 제조된 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm)의 스케일10㎛에서 관찰된 SEM 이미지이다. f는 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, g는 Cu0.01Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, h는 Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, i는 Cu0.04Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지이다.
도 6은 제조예 3에 따라 제조된 CM-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3의 스케일 50㎛에서 관찰된 SEM 이미지이다.
도 7은 제조예 3에 따라 얻어진 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재의 온도에 따른 전기 전도도를 나타낸다.
도 8은 제조예 3에 따라 얻어진 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재의 온도에 따른 캐리어 농도를 나타낸다.
도 9는 제조예 3에 따라 얻어진 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재의 온도에 따른 캐리어 이동도를 나타낸다.
도 10은 제조예 3에 따라 얻어진 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재의 Cu 함량에 따른 이동도(왼쪽) 및 캐리어 농도(오른쪽)를 나타낸다.
도 11은 제조예 3에 따라 얻어진 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재의 온도에 따른 제벡 계수를 나타낸다.
도 12는 제조예 3에 따라 얻어진 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재의 온도에 따른 파워팩터(PF)를 나타낸다.
도 13은 제조예 3에 따라 얻어진 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재의 온도에 따른 열전도도를 나타낸다.
도 14는 제조예 3에 따라 얻어진 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재의 온도에 따른 성능지수를 나타낸다.
도 15는 제조예 3에 따라 얻어진 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재의 조성에 따른 성능지수의 평균값을 나타낸다. 구체적으로, 298K에서 523K까지의 온도 구간에서의 평균값을 나타낸 거이다.
도 16은 제조예 2의 과정을 거쳐 제조예3에 따라 얻어진 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재와, 제조예 2의 과정을 거치지 않고 제조예 3에 따라 얻어진 CM-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3 열전소재의 온도에 따른 전기전도도를 나타낸 것이다.
도 17은 제조예 2의 과정을 거쳐 제조예3에 따라 얻어진 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재와, 제조예 2의 과정을 거치지 않고 제조예 3에 따라 얻어진 CM-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3 열전소재의 온도에 따른 제벡계수를 나타낸 것이다.
도 18은 제조예 2의 과정을 거쳐 제조예3에 따라 얻어진 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재와, 제조예 2의 과정을 거치지 않고 제조예 3에 따라 얻어진 CM-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3 열전소재의 온도에 따른 파워팩터를 나타낸 것이다.
도 19은 제조예 2의 과정을 거쳐 제조예3에 따라 얻어진 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재와, 제조예 2의 과정을 거치지 않고 제조예 3에 따라 얻어진 CM-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3 열전소재의 온도에 따른 열전도도를 나타낸 것이다.
도 20은 제조예 2의 과정을 거쳐 제조예3에 따라 얻어진 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재와, 제조예 2의 과정을 거치지 않고 제조예 3에 따라 얻어진 CM-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3 열전소재의 온도에 따른 성능지수 값을 나타낸 것이다.
도 21은 제조예3에 따라 얻어진 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3 열전소재들의 온도에 따른 전기전도도를 나타낸 것으로, 제조예 2의 과정 중 회전속도를 각각 400 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm, 및 4000 rpm으로 설정하여 얻어진 열전소재들의 결과를 나타냈다.
도 22은 제조예3에 따라 얻어진 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3 열전소재들의 온도에 따른 제벡계수를 나타낸 것으로, 제조예 2의 과정 중 회전속도를 각각 400 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm, 및 4000 rpm으로 설정하여 얻어진 열전소재들의 결과를 나타냈다.
도 23은 제조예3에 따라 얻어진 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3 열전소재들의 온도에 따른 파워팩터를 나타낸 것으로, 제조예 2의 과정 중 회전속도를 각각 400 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm, 및 4000 rpm으로 설정하여 얻어진 열전소재들의 결과를 나타냈다.
도 24는 제조예3에 따라 얻어진 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3 열전소재들의 온도에 따른 열전도도를 나타낸 것으로, 제조예 2의 과정 중 회전속도를 각각 400 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm, 및 4000 rpm으로 설정하여 얻어진 열전소재들의 결과를 나타냈다.
도 25는 제조예3에 따라 얻어진 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3 열전소재들의 온도에 따른 성능지수값을 나타낸 것으로, 제조예 2의 과정 중 회전속도를 각각 400 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm, 및 4000 rpm으로 설정하여 얻어진 열전소재들의 결과를 나타냈다.
1 shows XRD results of MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) prepared according to Preparation Example 3. For comparison, the XRD pattern of pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 is shown together.
2 shows XRD results of MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) and CM-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 prepared according to Preparation Example 3.
FIG. 3 is an SEM image observed at a scale of 1 μm of MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) without grinding and sintering in the form of a ribbon manufactured through a melt spinning (MS) process according to Preparation Example 2. to be. a is an image of Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , b is an image of Cu 0.01 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , c is an image of Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , d is an image of Cu 0.04 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 to be.
Figure 4 is a cross-sectional SEM image of MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) without a grinding and sintering process in the form of a ribbon manufactured through a melt spinning (MS) process according to Preparation Example 2, each scale 10㎛ , 300nm, images observed at 300nm. ac is an image of Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , df is an image of Cu 0.01 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , gi is an image of Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , jl is an image of Cu 0.04 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 to be. Also, the left image shows the overall cross-section, the middle image shows the contact surface to the copper wheel, and the right image shows the free surface.
5 is a SEM image observed at a scale of 10 μm of MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) prepared according to Preparation Example 3. f is an image of Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , g is an image of Cu 0.01 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , h is an image of Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , i is an image of Cu 0.04 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 to be.
6 is an SEM image observed at a scale of 50 μm of CM-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 prepared according to Preparation Example 3.
Figure 7 shows the electrical conductivity according to the temperature of the MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3.
Figure 8 shows the carrier concentration according to the temperature of the MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3.
Figure 9 shows the carrier mobility according to the temperature of the MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3.
Figure 10 shows the mobility (left) and carrier concentration (right) according to the Cu content of the MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3.
Figure 11 shows the Seebeck coefficient according to the temperature of the MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3.
Figure 12 shows the power factor (PF) according to the temperature of the MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3.
Figure 13 shows the thermal conductivity according to the temperature of the MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3.
Figure 14 shows the performance index according to the temperature of the MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3.
Figure 15 shows the average value of the performance index according to the composition of the MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3. Specifically, it shows the average value in the temperature range from 298K to 523K.
Figure 16 is obtained through the process of Preparation Example 2 MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3, CM-Cu obtained according to Preparation Example 3 without going through the process of Preparation Example 2 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 It shows the electrical conductivity according to the temperature of the thermoelectric material.
FIG. 17 shows the MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3 through the process of Preparation Example 2, and the CM-Cu obtained according to Preparation Example 3 without going through the Preparation Example 2 procedure. 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 The Seebeck coefficient according to the temperature of the thermoelectric material.
FIG. 18 shows the MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3 through the process of Preparation Example 2, and the CM-Cu obtained according to Preparation Example 3 without going through the Preparation Example 2 procedure. 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 It shows the power factor according to the temperature of the thermoelectric material.
FIG. 19 shows the MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3 through the process of Preparation Example 2, and the CM-Cu obtained according to Preparation Example 3 without going through the Preparation Example 2 procedure. 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 It shows the thermal conductivity according to the temperature of the thermoelectric material.
20 is obtained through the process of Preparation Example 2 MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3, and the CM-Cu obtained according to Preparation Example 3 without going through the process of Preparation Example 2 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 It shows the performance index value according to the temperature of thermoelectric material.
Figure 21 shows the electrical conductivity according to the temperature of the MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 thermoelectric materials obtained according to Preparation Example 3, the rotational speed during the process of Preparation Example 2 400 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm, respectively And thermoelectric materials obtained by setting to 4000 rpm.
Figure 22 shows the Seebeck coefficient according to the temperature of the MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3, the rotational speed during the process of Preparation Example 2 400 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm, respectively And thermoelectric materials obtained by setting to 4000 rpm.
Figure 23 shows the power factor according to the temperature of the MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 thermoelectric materials obtained according to Preparation Example 3, the rotational speed during the process of Preparation Example 2 400 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm, respectively And thermoelectric materials obtained by setting to 4000 rpm.
Figure 24 shows the thermal conductivity according to the temperature of the MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 thermoelectric materials obtained according to Preparation Example 3, the rotational speed during the process of Preparation Example 2 400 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm, respectively And thermoelectric materials obtained by setting to 4000 rpm.
Figure 25 shows the performance index value according to the temperature of the MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3, the rotational speed during the process of Preparation Example 2 400 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm, respectively , And the results of thermoelectric materials obtained by setting to 4000 rpm.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, various changes may be made to the embodiments, and the scope of the patent application right is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all modifications, equivalents, or substitutes for the embodiments are included in the scope of rights.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used for illustrative purposes only and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "include" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described herein, one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the embodiment belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are assigned to the same components regardless of reference numerals, and redundant descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiments, when it is determined that detailed descriptions of related known technologies may unnecessarily obscure the subject matter of the embodiments, detailed descriptions thereof will be omitted.

본 명세서 전체에 걸쳐, 특정 물질의 농도를 나타내기 위하여 사용되는 "%"는 별도의 언급이 없는 경우, 고체/고체는 (중량/중량) %, 고체/액체는 (중량/부피) %, 그리고 액체/액체는 (부피/부피) %이다.Throughout this specification, "%" used to indicate the concentration of a specific substance, unless otherwise specified, solids/solids (weight/weight)%, solids/liquids (weight/volume)%, and The liquid/liquid is (volume/volume) %.

제조예: 도펀트 금속 Cu가 첨가된 BST 열전소재(CuManufacturing example: BST thermoelectric material (Cu with dopant metal Cu added) xx BST)의 제조Preparation of BST)

제조예 1: 잉곳(ingot) 합성Preparation Example 1: Ingot synthesis

도펀트 금속으로 Cu를 사용하여 열전소재를 제조하였다. CuxBi0.5Sb1.5Te3 (x= 0, 0.01, 0.02 및 0.04)의 조성식을 가지는 열전반도체가 얻어지도록 고순도 원료 금속인 Bi (99.999%, 5N Plus), Sb (99.999%, 5N Plus), Te (99.999%, 5N Plus) 과립들(granule), Cu 와이어(99.9%, Sigma Aldrich)을 조성비에 맞게 혼합하여 혼합물을 준비하였다. 이때, Te의 증발로 인해 과량의 Te를 가했다. 각 금속을 아래 표 1에 기재된 양을 사용하여 혼합하였다. 대조군으로 Cu가 없는 Bi0.5Sb1.5Te3 물질을 함께 제조하였다.A thermoelectric material was prepared using Cu as a dopant metal. High purity raw metals Bi (99.999%, 5N Plus), Sb (99.999%, 5N Plus), so that a thermoelectric semiconductor having a composition formula of Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (x= 0, 0.01, 0.02 and 0.04) is obtained, A mixture was prepared by mixing Te (99.999%, 5N Plus) granules and Cu wire (99.9%, Sigma Aldrich) according to the composition ratio. At this time, excessive Te was added due to evaporation of Te. Each metal was mixed using the amounts listed in Table 1 below. As a control, Cu-free Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 material was prepared together.

화학조성Chemical composition 사용된 물질의 중량(g)Weight of material used (g) BiBi SbSb TeTe CuCu Bi0.5Sb1.5Te3 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 3.123.12 5.455.45 11.4211.42 00 Cu0.01Bi0.5Sb1.5Te3 Cu 0.01 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 3.123.12 5.455.45 11.4111.41 0.020.02 Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3 Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 3.113.11 5.445.44 11.4011.40 0.040.04 Cu0.04Bi0.5Sb1.5Te3 Cu 0.04 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 3.113.11 5.435.43 11.3811.38 0.080.08

상기 혼합물을 진공 석영 앰플(quartz ampule) 내에서 실링한 후 1273K에서 6시간 동안 가열하였다. 그 후 차가운 물을 이용하여 급냉(quenching)시켜 잉곳(ingot) 형태의 열전소재를 제조하였다.The mixture was sealed in a vacuum quartz ampule and then heated at 1273K for 6 hours. Thereafter, quenching was performed with cold water to prepare an ingot type thermoelectric material.

제조예 2: 용융 스피닝(Melt-Spinning; MS) 과정Preparation Example 2: Melt-Spinning (MS) process

상기 제조예 1에서 얻어진 잉곳 형태의 열전반도체 20g을 용융스피닝(melt spinning)시켰다(㈜예인테크의 용융스피닝 장치 사용). 구체적으로, 상기 용융 스피닝의 챔버 내에서 잉곳 형태의 열전소재를 인덕션 코일을 통해 용융시킨 후 노즐을 통하여 약 50cm 정도의 직경을 갖는 Cu 휠에 분출시켰다. 챔버 내부는 아르곤 분위기이며 챔버 압력은 0.03MPa, Cu휠(wheel)의 회전 속도는 500rpm(~6.6m/s)이었다. 고압의 아르곤 가스를 통해 용융된 열전 소재를 Cu 휠에 분출시키는 것이 가능하며, Cu 휠이 빠른 속도로 회전하기 때문에 분출된 열전소재가 리본 형태로 얻어진다. 용융 스피닝 과정 동안, 리본은 접촉 표면 상에서 비정질 구조를 갖고 자유 표면(free surface) 상에서 덴드라이트(dendrite) 나노구조(300-500 nm)를 갖는 얇은 리본이 형성된다. 이러한 공정 의해서 리본형태의 열전소재 중간체를 얻었다. 20 g of the ingot type thermoelectric semiconductor obtained in Preparation Example 1 was melt-spinned (using a melt-spinning device of Yeintech). Specifically, the ingot type thermoelectric material was melted through the induction coil in the chamber of the melt spinning and then ejected through a nozzle to a Cu wheel having a diameter of about 50 cm. The inside of the chamber was an argon atmosphere, the chamber pressure was 0.03 MPa, and the rotation speed of the Cu wheel was 500 rpm (~6.6 m/s). It is possible to eject the thermoelectric material melted through the high pressure argon gas to the Cu wheel, and since the Cu wheel rotates at a high speed, the ejected thermoelectric material is obtained in the form of a ribbon. During the melt spinning process, a thin ribbon is formed with an amorphous structure on the contact surface and a dendrite nanostructure (300-500 nm) on the free surface. By this process, a ribbon-shaped thermoelectric material intermediate was obtained.

한편, 회전속도에 따른 열전소재의 성능을 평가하기 위해, 회전속도를 각각 1000rpm, 2000rpm, 4000rpm으로 하여 상기 과정들을 반복하였다. On the other hand, in order to evaluate the performance of the thermoelectric material according to the rotational speed, the above processes were repeated with rotational speeds of 1000 rpm, 2000 rpm, and 4000 rpm, respectively.

제조예 3: 그라인딩 및 소결 과정Production Example 3: Grinding and sintering process

마노유발(agate mortar) 및 막자(pestle)를 이용하여 핸드 그라인딩(hand grinding)으로 분말을 제조하였고, 제조된 분말을 흑연 몰드에 팩킹하여 스파크 플라즈마 소결(SPS)을 이용하여 753 K, 60 MPa에서 3 분 동안 소결을 진행하였다. 소결 후 얻어진 원기둥 모양의 펠릿은 12.5 mm의 직경과 10 mm의 높이를 가졌다.Powder was prepared by hand grinding using agate mortar and pestle, and the powder was packed into a graphite mold at 753 K, 60 MPa using spark plasma sintering (SPS). Sintering was performed for 3 minutes. The cylindrical pellet obtained after sintering had a diameter of 12.5 mm and a height of 10 mm.

한편, 용융스피닝 과정에 따른 열전소재의 성능을 평가하기 위해, 대조군으로서(종래 방법(conventional method), 이하에서 “CM”), 제조예2의 용융스피닝 단계를 거치지 않고, 제조예 1에서 얻어진 잉곳 형태의 열전소재를 이용하여 바로 제조예 3의 과정을 거쳐 열전소재를 제조하였다. On the other hand, in order to evaluate the performance of the thermoelectric material according to the melt spinning process, as a control (conventional method, hereinafter referred to as "CM"), the ingot obtained in Preparation Example 1 without going through the melting spinning step of Preparation Example 2 The thermoelectric material was directly prepared using the thermoelectric material of Example 3 through the process of Preparation Example 3.

실험예 1: 열전소재의 결정 분석Experimental Example 1: Crystal analysis of thermoelectric material

앞선 제조예 3에 따라 수득된 복합 열전소재의 성분을 확인하고자, X-선 회절(XRD) 패턴을 조사하였다. X-선 회절기(New D8 Advance, Bruker)를 이용하였다. In order to confirm the components of the composite thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3, an X-ray diffraction (XRD) pattern was examined. An X-ray diffractometer (New D8 Advance, Bruker) was used.

그 결과를 도 1 및 2에 나타내었다. 도 1은 제조예 2를 거친 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm)의 결과를 나타내며, 비교를 위해 Cu가 없는, 즉 프리스틴(pristine) Bi0.5Sb1.5Te3의 XRD 패턴을 함께 도 1에 나타냈다. 도 1을 보면, Bi0.5Sb1.5Te3 구조가 생성된 것을 알 수 있고, Cu가 소량이기 때문에, 2차 상(secondary phase)이 나타나지 않음을 알 수 있다. 한편, 도 2에는 제조예 2를 거친 MS- Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3(500rpm)의 결과와, 제조예 2를 거치지 않은 CM-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3의 결과를 함께 나타냈다. 어느 방법을 제조하였는지에 관계없이 Bi0.5Sb1.5Te3 구조가 생성된 것을 알 수 있다. The results are shown in FIGS. 1 and 2. Figure 1 shows the results of MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) after Preparation Example 2, for comparison, without Cu, that is, the XRD pattern of Pristine (pristine) Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 together It is shown in 1. Referring to FIG. 1, it can be seen that Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 structure was formed, and since Cu is small, a secondary phase does not appear. On the other hand, Fig. 2 shows the results of MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm), which has passed through Preparation Example 2, and the results of CM-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 without Preparation Example 2. It can be seen that regardless of which method was prepared, a Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 structure was produced.

실험예 2: 열전소재의 표면 이미지 분석Experimental Example 2: Surface image analysis of thermoelectric material

앞선 제조예 3에 따라 수득된 복합재의 표면을 주사전자현미경 (SEM, JSM-7600F, JEOL)을 통해 관찰하였다. The surface of the composite material obtained according to Preparation Example 3 was observed through a scanning electron microscope (SEM, JSM-7600F, JEOL).

먼저, 제조예 2에 따라 용융스피닝(MS) 공정을 거쳐 제조된 리본 형태의 그라인딩 및 소결 과정을 거치지 않은 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm)의 스케일1㎛에서 관찰된 이미지를 도 3에 나타냈다. (a)는 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, (b)는 Cu0.01Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, (c)는 Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, (d)는 Cu0.04Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지이다. 모든 리본 구조는 300-500 nm 두께를 갖는 균일한 나노구조를 보였다. Cu 첨가 및 이의 함량에 따른 현저한 차이는 보이지 않았다. First, an image observed at a scale 1 μm of MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) without grinding and sintering in the form of a ribbon manufactured through a melt spinning (MS) process according to Preparation Example 2 is shown. It is shown in 3. (a) image of Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , (b) image of Cu 0.01 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , (c) image of Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , (d) Cu 0.04 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 image. All ribbon structures showed uniform nanostructures with a thickness of 300-500 nm. There was no significant difference according to the addition of Cu and its content.

도 4는 제조예 2에 따라 용융 스피닝(MS) 공정을 거쳐 제조된 리본 형태의 그라인딩 및 소결 과정을 거치지 않은 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm)의 단면 SEM 이미지로 각각 스케일10㎛, 300nm, 300nm에서 관찰된 이미지이다. a-c는 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, d-f는 Cu0.01Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, g-i는 Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, j-l은 Cu0.04Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지이다. 또한, 왼쪽 이미지는 전체적인 단면도를, 가운데 이미지는 접촉 표면을, 오른쪽 이미지는 자유 표면을 나타낸다. Cu 휠과 접촉하고 있는 접촉 표면 상에서는 비정질상(amorphous phase)이 나타났고, 자유 표면 상에서는 나노결정 구조가 나타났다. Cu가 Bi0.5Sb1.5Te3 결정 구조 내로 들어가기 때문에 별도의 이차상이 관찰되지 않았다. Figure 4 is a cross-sectional SEM image of MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) without a grinding and sintering process in the form of a ribbon manufactured through a melt spinning (MS) process according to Preparation Example 2, each scale 10㎛ , 300nm, images observed at 300nm. ac is an image of Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , df is an image of Cu 0.01 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , gi is an image of Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , jl is an image of Cu 0.04 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 to be. Also, the left image represents the overall cross-section, the middle image represents the contact surface, and the right image represents the free surface. An amorphous phase appeared on the contact surface in contact with the Cu wheel, and a nanocrystalline structure appeared on the free surface. No separate secondary phase was observed because Cu entered into the Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 crystal structure.

도 5는 제조예3에 따라 제조된 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm)의 스케일10㎛에서 관찰된 SEM 이미지이다. f는 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, g는 Cu0.01Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, h는 Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지, i는 Cu0.04Bi0.5Sb1.5Te3의 이미지이다. 이들의 평균적인 그레인 크기는 각각 프리스틴 BST에서 3.01㎛, Cu0.01BST에서 2.90㎛, Cu0.02BST에서 2.95㎛, Cu0.04BST에서 2.67㎛였다. 평균크기는 20개 이상의 그레인으로 계산하였다. Cu 함량에 따른 형태학(morphology)는 유사하게 나타났다. 5 is a SEM image observed at a scale of 10 μm of MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) prepared according to Preparation Example 3. f is an image of Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , g is an image of Cu 0.01 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , h is an image of Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , i is an image of Cu 0.04 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 to be. Their average grain size was 3.01 μm in Pristine BST, 2.90 μm in Cu 0.01 BST, 2.95 μm in Cu 0.02 BST, and 2.67 μm in Cu 0.04 BST, respectively. The average size was calculated with 20 or more grains. Morphology according to Cu content appeared similar.

도 6은 제조예 3에 따라 제조된 CM-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3의 스케일 50㎛에서 관찰된 SEM 이미지이다. MS-공정을 거치지 않은 열전소재 역시 별도의 이차상은 관찰되지 않았다. 6 is an SEM image observed at a scale of 50 μm of CM-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 prepared according to Preparation Example 3. In the thermoelectric material that has not been subjected to the MS-process, a separate secondary phase was not observed.

실험예 3: 복합재의 열전성능 분석Experimental Example 3: Analysis of thermoelectric performance of composite materials

앞선 제조예 3에 따라 수득된 열전소재의 성능을 확인하였다. The performance of the thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3 was confirmed.

ZEM-3 장비(ULVAC-RIKO)를 이용하여 전기전도도, 제벡계수, 파워팩터를 측정하였다. 또한, 제조예 3에 따라 얻어진 열전소재의 열전도도를 레이저-플래쉬 방법(laser-flash method)(LFA, TA, DLF 1300)를 이용하여 측정했다. Electrical conductivity, Seebeck coefficient, and power factor were measured using ZEM-3 equipment (ULVAC-RIKO). In addition, the thermal conductivity of the thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3 was measured using a laser-flash method (LFA, TA, DLF 1300).

실험예 3-1. Cu 첨가에 따른 열전성능 분석: MS-CuExperimental Example 3-1. Analysis of thermoelectric performance by adding Cu: MS-Cu xx BiBi 0.50.5 SbSb 1.51.5 TeTe 33 (500rpm)의 분석(500rpm)

제조예 3에 따라 얻어진 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재의 전기 전도도 (도 7), 캐리어 농도(도 8), 캐리어 이동도(도 9), Cu 함량에 따른 캐리어 농도 및 캐리어 이동도의 관계(도 10), 제벡계수 (도 11), 파워팩터 (도 12), 열전도도 (도 13), 성능지수(ZR) 값 (도 14), 평균 성능지수 값(도 15)을 측정하여 각각 도 7 내지 15에 나타냈다. Electrical conductivity of the MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) thermoelectric material obtained according to Preparation Example 3 (FIG. 7), carrier concentration (FIG. 8), carrier mobility (FIG. 9), carrier concentration according to Cu content And carrier mobility (FIG. 10), Seebeck coefficient (FIG. 11), power factor (FIG. 12), thermal conductivity (FIG. 13), performance index (ZR) value (FIG. 14), and average performance index value (FIG. 15). ) Were measured and are shown in FIGS. 7 to 15, respectively.

전기 전도도(σ)의 경우 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3에 비해 CuxBi0.5Sb1.5Te3가 더 우수한 결과를 나타냈다. 특히, 0.04몰의 Cu를 포함하는 Cu0.04BST가 가장 우수한 전기 전도도를 나타냈다. 이는 Cu가 효과적인 p-형 도펀트로 역할함을 보여주는 것이며, 매우 소량의 Cu 첨가로도 현저한 증대를 보였다. 구체적으로, 실온(RT)에서의 전기 전도도는 프리스틴 BST, Cu0.01BST, Cu0.02BST, 및 Cu0.04BST에서 각각 740.7, 1343.0, 1680.6, 및 2357.7 S/cm였다. 이러한 Cu 첨가에 따른 전기 전도도의 증가는 캐리어 농도의 증가에 의한 것임을 확인하였다 (도 8참조). 캐리어 농도와 이동도는 다음의 식으로부터 홀 계수(Hall coefficient) 측정에 의해 결정될 수 있다. For electrical conductivity (σ), Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 showed better results than Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 . In particular, Cu 0.04 BST containing 0.04 mol of Cu showed the best electrical conductivity. This shows that Cu acts as an effective p-type dopant and shows a significant increase even with the addition of very small amount of Cu. Specifically, electrical conductivity at room temperature (RT) was 740.7, 1343.0, 1680.6, and 2357.7 S/cm at Pristine BST, Cu 0.01 BST, Cu 0.02 BST, and Cu 0.04 BST, respectively. It was confirmed that the increase in electrical conductivity with the addition of Cu was due to the increase in the carrier concentration (see FIG. 8). Carrier concentration and mobility can be determined by measuring Hall coefficient from the following equation.

RH = 1/peR H = 1/pe

σ = peμσ = peμ

상기 식에서 RH, p, e, 및 μ는 각각 홀 계수, 홀 캐리어 농도, 전자 전하 및 홀 캐리어 이동도를 나타낸다. 즉, 전기 전도도는 캐리어 농도와 캐리어 이동도에 모두 영향을 받는다. In the above formula, R H , p, e, and μ represent hole coefficient, hole carrier concentration, electron charge, and hole carrier mobility, respectively. That is, electrical conductivity is affected by both carrier concentration and carrier mobility.

제조예 3에 따른 MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm)의 열전소재의 캐리어 농도를 보면, CuxBi0.5Sb1.5Te3가 모두 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3에 비해 높은 캐리어 농도를 보였다(도 8 참조). 반면, 캐리어 이동도의 경우 Cu의 첨가가 캐리어 이동도를 낮추는 것을 확인하였다(도 9 참조). 즉, 도 10에 나타낸 것과 같이, Cu 첨가가 캐리어 이동도와 농도에 각각 상반된 영향을 주는 것을 알 수 있다. 도 7에서 알 수 있듯이, MS-CuxBi0.5Sb1.5Te3(500rpm)의 전기 전도도는 캐리어 농도에 가장 크게 영향을 받아 Cu의 첨가로 인해 증가되었다. Looking at the carrier concentration of the thermoelectric material of MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) according to Preparation Example 3, all of the Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 showed higher carrier concentration compared to Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 It was shown (see Figure 8). On the other hand, in the case of carrier mobility, it was confirmed that the addition of Cu lowered the carrier mobility (see FIG. 9). That is, as shown in Fig. 10, it can be seen that the addition of Cu has an adverse effect on carrier mobility and concentration, respectively. As can be seen in FIG. 7, the electrical conductivity of MS-Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) was most affected by the carrier concentration and increased due to the addition of Cu.

제벡계수(S)의 경우 모든 열전소재에서 양의 값을 나타냈다. 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3의 열전소재가 450K 이하의 온도에서는 가장 높은 값을 보였으며, 375K에서 가장 높은 값을 보였다. Cu가 첨가된 CuxBST의 경우 Cu 첨가로 인해 더 낮아진 값을 보였다. 다만, 온도에 따른 제벡 계수의 값의 양상은 서로 다르게 나타났다. 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3의 경우 375K 이상에서 온도 증가에 따라 계속해서 감소를 보였으나, CuxBi0.5Sb1.5Te3의 경우 온도 증가에 따라 제벡 계수가 증가하였다. In the case of Seebeck coefficient (S), positive values were shown for all thermoelectric materials. The thermoelectric material of Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 showed the highest value at a temperature below 450K and the highest value at 375K. In the case of Cu x BST to which Cu was added, it showed a lower value due to the addition of Cu. However, the aspect of the Seebeck coefficient according to the temperature was different. In the case of Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , the decrease continued with increasing temperature at 375K or higher, but in the case of Cu x Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , the Seebeck coefficient increased with increasing temperature.

그 결과, 전기전도도와 제벡 계수의 제곱의 곱인 파워팩터(PF=σS2)는 Cu 첨가로 인해 더 높은 값을 보였다. 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3가 가장 낮은 값을 보였고, Cu-BST가 모두 이보다 향상된 값을 보였다. As a result, the power factor (PF=σS 2 ), which is the product of the square of the electrical conductivity and the Seebeck coefficient, showed a higher value due to Cu addition. Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 showed the lowest value, and all of Cu-BST showed an improved value.

열전도도의 경우 약 425K 이하에서는 Cu를 포함하는 Bi0.5Sb1.5Te3 열전소재 모두 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3열전소재에 비해 감소된 결과를 나타냈다. 실온에서의 열전도도는 프리스틴 BST, Cu0.01BST, Cu0.02BST, 및 Cu0.04BST에서 각각 1.05, 1.29, 1.39 및 1.76 W/mK로 나타났으며, Cu 함량에 따라 증가되는 추세를 보였다. 그러나, 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3가 고온에서 급격히 높은 열전도도의 증가를 보이면서, 높은 온도에서는 CuXBi0.5Sb1.5Te3가 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3에 비해 더 낮은 열전도도를 보였다. 특히, 약 425K 이상의 온도에서는 0.02몰의 Cu가 포함된 열전소재가 가장 낮은 열전도도를 보이는 것을 확인하였다. If the thermal conductivity is approximately 425K or less showed a 0.5 Sb 1.5 Te 3 Thermoelectric Material Bi with both pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 Thermoelectric reduced compared to the material results that include Cu. The thermal conductivity at room temperature was 1.05, 1.29, 1.39 and 1.76 W/mK in Pristine BST, Cu 0.01 BST, Cu 0.02 BST, and Cu 0.04 BST, respectively, and showed an increasing trend with Cu content. However, while Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 showed a sharply high increase in thermal conductivity at high temperatures, Cu X Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 showed lower thermal conductivity than Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 at high temperatures. In particular, it was confirmed that at a temperature of about 425K or higher, the thermoelectric material containing 0.02 mol of Cu showed the lowest thermal conductivity.

그 결과, 열전성능을 평가하는 성능지수는 0.02몰의 Cu가 포함된 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3(500rpm)가 가장 높은 값을 보이는 것을 확인하였다. 특히, 포함된 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3(500rpm)의 열전소재는 400K에서 1.34의 최대값을 보였다. 즉, Bi0.5Sb1.5Te3의 최대 성능 지수 값을 중온 영역으로 이동시키는 것을 실현시켰다. 용융 스피닝 수행된(MS)-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3(500rpm)가 중온 (mid-temperature) 영역에서 높은 열전성능 값을 보이므로, 이의 특별한 유용성이 확인되었다. 특히, 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3의 경우 실온에서부터 이의 근처 온도인 약 350K 정도까지만 높은 성능을 유지하고 그 이상의 온도에서는 현저히 낮은 열전성능을 나타내는데 반해, MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3의 경우 실온에서부터 약 500K에 이를 때까지 계속하여 우수한 열전성능을 보였으며, 이는 종래의 BST가 사용될 수 있던 온도인 실온에 비해 상대적으로 고온인 온도에서의 활용성을 나타내는 결과이다. 실온을 벗어난 온도에서의 구체적인 열전성능을 평가하기 위하여, 298K에서부터 523K에 이르는 온도 구간의 평균적인 성능지수 값을 도 15에 나타냈다. Cu가 포함된 Bi0.5Sb1.5Te3가 모두 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3에 비해 높은 평균 성능지수 값을 보였으며, 0.02몰의 Cu가 포함된 경우가 가장 높은 값을 나타냈다. 구체적으로, 프리스틴 Bi0.5Sb1.5Te3에 비해 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3(500rpm)은 46% 증가된 평균 성능 지수 값을 보였다. As a result, it was confirmed that the MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500rpm) containing 0.02 mol Cu showed the highest value of the performance index for evaluating thermoelectric performance. In particular, the thermoelectric material of MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) included showed a maximum value of 1.34 at 400K. That is, it was realized that the maximum performance index value of Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 was moved to the medium temperature region. Since the melt spinning was performed (MS)-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) showed a high thermoelectric performance value in the mid-temperature region, its special usefulness was confirmed. In particular, in the case of Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , it maintains high performance only from room temperature to about 350 K, which is near its temperature, and at a temperature higher than that, it exhibits significantly lower thermoelectric performance, whereas in the case of MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 It continued to show excellent thermoelectric performance from room temperature to about 500K, which is a result showing the utilization at a relatively high temperature compared to room temperature, which is the temperature at which conventional BST can be used. In order to evaluate the specific thermoelectric performance at a temperature outside the room temperature, the average performance index values in the temperature range from 298K to 523K are shown in FIG. 15. All of Cu containing Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 showed a higher average performance index value than Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , and 0.02 mol of Cu contained the highest value. Specifically, compared to Pristine Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) showed an average performance index value increased by 46%.

실험예 3-2. 용융스피닝(MS)에 따른 열전성능 분석: MS-CuExperimental Example 3-2. Analysis of thermoelectric performance according to melt spinning (MS): MS-Cu 0.020.02 BiBi 0.50.5 SbSb 1.51.5 TeTe 33 (500rpm) 및 CM-Cu(500rpm) and CM-Cu 0.020.02 BiBi 0.50.5 SbSb 1.51.5 TeTe 33 의 분석Analysis of

제조예2를 거쳐 제조예 3에 따라 얻어진 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3(500rpm) 열전소재와, 제조예 2를 거치지 않고 제조예 3에 따라 얻어진 CM-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3 열전소재를 비교하였다. 이들의 전기 전도도, 제벡계수, 파워팩터, 열전도도, 성능지수 값을 각각 도 16 내지 도 20에 나타냈다. MS-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (500 rpm) obtained according to Production Example 3 through Production Example 2 and CM-Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 obtained according to Production Example 3 without going through Production Example 2 Thermoelectric materials were compared. The electrical conductivity, Seebeck coefficient, power factor, thermal conductivity, and performance index values are shown in FIGS. 16 to 20, respectively.

용융스피닝 과정을 거친 복합 열전소재가 더 높은 전기전도도를 가지지만, 더 낮은 제벡계수 값을 가지는 것을 알 수 있다. 그 결과, 용융 스피닝 과정을 거친 복합 열전소재가 더 높은 파워팩터 값을 보였다. 또한, 용융 스피닝 과정을 거친 복합 열전소재가 더 낮은 열전도도를 보여, 결과적으로 용융 스피닝 과정을 거친 복합 열전소재가 현저히 더 높은 성능 지수 값을 보였다. 이러한 결과는 동일한 조성의 Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3 열전소재라고 하여도, 어떠한 방식으로 제조되었는지에 따라 상이한 열전성능을 나타낼 수 있음을 보여주는 것이다. 특히, 용융 스피닝 과정을 거치지 않은 열전소재의 경우 실온에서부터 약 400 K에 이르는 동안 미세한 정도의 성능지수의 증가를 보일 뿐이고 그 이상의 온도에서는 성능지수의 감소를 보였다. 그러나, 용융 스피닝 과정을 거친 열전소재의 경우 실온에서부터 약 400 K에 이르는 동안 약 0.3 정도의 성능지수 값의 상승을 보였으며, 그 이상의 온도에서 성능지수가 감소되었으나, 약 475K에 이를 때까지는 여전히 1.0 이사의 성능지수를 가져 중온 영역에서 우수한 열전성능을 나타냄을 확인할 수 있다. It can be seen that the composite thermoelectric material subjected to the melt spinning process has a higher electrical conductivity, but a lower Seebeck coefficient value. As a result, the composite thermoelectric material subjected to the melt spinning process showed a higher power factor value. In addition, the composite thermoelectric material subjected to the melt spinning process showed lower thermal conductivity, and as a result, the composite thermoelectric material subjected to the melt spinning process showed significantly higher performance index values. These results show that even if the Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 thermoelectric material of the same composition, it can exhibit different thermoelectric performance depending on how it was manufactured. Particularly, in the case of a thermoelectric material not subjected to a melt spinning process, only a slight increase in the performance index was observed from room temperature to about 400 K, and at a temperature above that, the performance index decreased. However, in the case of a thermoelectric material subjected to a melt spinning process, a performance index value of about 0.3 was increased from room temperature to about 400 K, and at a temperature higher than that, the performance index decreased, but it was still 1.0 until it reached about 475K. It can be seen that it has excellent performance of thermoelectricity in the medium temperature region by having the director's performance index.

실험예 3-2. 용융스피닝(MS)의 회전속도에 따른 열전성능 분석: MS-CuExperimental Example 3-2. Analysis of thermoelectric performance according to the rotational speed of melt spinning (MS): MS-Cu 0.020.02 BiBi 0.50.5 SbSb 1.51.5 TeTe 33 (500rpm - 4000 rpm)의 분석(500rpm-4000rpm)

용융스피닝 과정 중 회전속도에 대한 영향을 확인하기 위하여, 제조예 2의 회전속도를 각각 500 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm, 및 4000 rpm으로 설정하여, 제조예2를 거쳐 제조예 3에 따라 얻어진 MS-Cu0.02Bi0.5Sb1.5Te3 열전소재들을 비교하였다. 이들의 전기 전도도, 제벡계수, 파워팩터, 열전도도, 성능지수 값을 각각 도 21 내지 도 25에 나타냈다.In order to confirm the effect on the rotational speed during the melt spinning process, the rotational speeds of Production Example 2 were set to 500 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm, and 4000 rpm, respectively, and the MS obtained according to Production Example 3 through Production Example 2 -Cu 0.02 Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 Thermoelectric materials were compared. The electrical conductivity, Seebeck coefficient, power factor, thermal conductivity, and performance index values are shown in FIGS. 21 to 25, respectively.

전기 전도도, 제벡계수, 파워팩터의 경우 회전속도에 따른 차이가 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 그러나, 열전도도의 경우 회전속도가 가장 느린 500 rpm인 경우에 가장 낮은 값을 보이고, 회전속도가 가장 빠른 4000 rpm인 경우에 가장 높은 값을 보였다. 그 결과, 회전속도가 가장 느린 500 rpm인 경우에 가장 높은 성능지수 값을 갖고, 회전속도가 가장 빠른 4000 rpm인 경우에 가장 낮은 성능지수 값을 가졌다. In the case of electric conductivity, Seebeck coefficient, and power factor, it can be confirmed that the difference according to the rotational speed is not large. However, in the case of thermal conductivity, the lowest value was obtained when the rotational speed was 500 rpm, and the highest value was obtained when the rotational speed was 4000 rpm. As a result, it has the highest performance index value when the rotational speed is 500 rpm, and the lowest performance index value when the rotational speed is 4000 rpm.

본원 실시예에서는 Cu를 도펀트 금속으로 이용하여 열전소재를 제조하여 이의 성능을 확인하였으나, 다른 도펀트 금속 Ag 및 Pb 역시 Cu처럼 BST 결정 구조 내의 Bi 또는 Sb 위치로 치환되므로 동일 또는 유사한 효과가 확인될 것으로 충분히 예측된다. 따라서, 앞선 실시예가 본 개시의 발명을 한정하기 위한 것으로 해석되지 않아야 한다. In the present embodiment, the performance of the thermoelectric material was confirmed by using Cu as a dopant metal, but other dopant metals Ag and Pb are also substituted with Bi or Sb positions in the BST crystal structure like Cu, so the same or similar effect will be confirmed. It is predicted enough. Therefore, the preceding embodiments should not be construed as limiting the invention of the present disclosure.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described by the limited drawings, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form from the described method, or other components Alternatively, even if replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (18)

MxBiySb2-yTe3 (0 < x ≤ 0.1, 0 < y < 2)의 조성을 갖는 복합 열전소재의 제조방법으로서, 상기 M은 구리, 납, 은, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나이고,
상기 제조방법은
Bi, Sb, Te, 및 M 원료 물질을 혼합하여 복합 원료를 준비하는 단계;
상기 복합 원료를 이용하여 잉곳(ingot) 또는 펠릿 형태의 복합 열전소재를 제조하는 단계;
상기 잉곳 또는 펠릿 형태의 복합 열전소재를 용융 스피닝(melt-spinning)시켜 리본(ribbon)을 형성하는 단계;
상기 리본을 분쇄(pulverize)하는 단계; 및
상기 분쇄된 리본을 소결하는 단계
를 포함하는, 복합 열전소재의 제조방법.
A method of manufacturing a composite thermoelectric material having a composition of M x Bi y Sb 2-y Te 3 (0 <x ≤ 0.1, 0 <y <2), wherein M is a group consisting of copper, lead, silver, and combinations thereof Any one selected from,
The manufacturing method
Preparing a composite raw material by mixing Bi, Sb, Te, and M raw material;
Manufacturing a composite thermoelectric material in the form of an ingot or pellet using the composite raw material;
Forming a ribbon by melt-spinning the ingot or pellet-shaped composite thermoelectric material;
Pulverizing the ribbon; And
Sintering the crushed ribbon
The method of manufacturing a composite thermoelectric material comprising a.
제1항에 있어서, 상기 복합 열전소재의 조성은 0.005 ≤ x ≤ 0.05인, 복합 열전소재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the composition of the composite thermoelectric material is 0.005 ≤ x ≤ 0.05.
제1항에 있어서, 상기 복합 열전소재의 조성은 0.01 ≤ x ≤ 0.04인, 복합 열전소재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the composition of the composite thermoelectric material is 0.01 ≤ x ≤ 0.04.
제1항에 있어서, 상기 복합 열전소재의 조성은 0.015 ≤ x ≤ 0.025인, 복합 열전소재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the composition of the composite thermoelectric material is 0.015 ≤ x ≤ 0.025.
제1항에 있어서, 상기 복합 열전소재의 조성은 0 < y < 1인, 복합 열전소재의 제조방법.
According to claim 1, The composition of the composite thermoelectric material is 0 <y <1, the method of manufacturing a composite thermoelectric material.
제1항에 있어서, 상기 복합 열전소재의 조성은 0.4 ≤ y ≤ 0.6인, 복합 열전소재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the composition of the composite thermoelectric material is 0.4≦y≦0.6.
제1항에 있어서, 상기 복합 열전소재의 조성은 y = 0.5인, 복합 열전소재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the composition of the composite thermoelectric material is y = 0.5.
제1항에 있어서, 상기 M은 구리인, 복합 열전소재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the M is copper.
제1항에 있어서, 상기 복합 열전소재는 p-형 열전소재인, 복합 열전소재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the composite thermoelectric material is a p-type thermoelectric material.
제1항에 있어서, 상기 리본(ribbon)을 형성하는 단계는 상기 잉곳 또는 펠릿 형태의 복합 열전소재를 용융시키는 단계 및 용융된 열전 소재를 노즐을 통해 휠에 분출시키는 단계를 포함하는 것인, 복합 열전소재의 제조방법.
According to claim 1, The step of forming the ribbon (ribbon) comprises the step of melting the composite thermoelectric material in the form of an ingot or pellet and ejecting the melted thermoelectric material to the wheel through a nozzle. Method for manufacturing thermoelectric material.
제10항에 있어서, 상기 휠의 회전 속도는 100 내지 4000rpm인, 복합 열전소재의 제조방법.
The method of claim 10, wherein the rotational speed of the wheel is 100 to 4000 rpm.
제11항에 있어서, 상기 휠의 회전 속도는 200 내지 1000rpm인, 복합 열전소재의 제조방법.
The method of claim 11, wherein the rotational speed of the wheel is 200 to 1000 rpm.
제12항에 있어서, 상기 휠의 회전 속도는 400 내지 600 rpm이고 제조된 복합 열전소재는 CuxBiySb2-yTe3 (0.15 ≤ x ≤ 0.25, 0.4 ≤ y ≤ 0.6) 의 조성을 갖는 것인, 복합 열전소재의 제조방법.
The method of claim 12, wherein the rotational speed of the wheel is 400 to 600 rpm and the composite thermoelectric material produced has a composition of Cu x Bi y Sb 2-y Te 3 (0.15 ≤ x ≤ 0.25, 0.4 ≤ y ≤ 0.6) Phosphorus, composite thermoelectric material manufacturing method.
제1항에 있어서, 상기 잉곳 또는 펠릿 형태의 복합 열전소재를 제조하는 단계는 복합 원료를 가열하고 급냉시키는 단계를 포함하는 것인, 복합 열전소재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the step of manufacturing the composite thermoelectric material in the form of an ingot or pellet comprises heating and quenching the composite raw material.
제1항에 있어서, 상기 리본을 분쇄(pulverize)하는 단계는 볼 밀링(ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling), 고에너지 밀링(high energy milling), 제트 밀링(zet milling), 막자 사발에서 분쇄하는 방법, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 통해 수행되는 것인, 복합 열전소재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the step of pulverizing the ribbon includes ball milling, attrition milling, high energy milling, jet milling, and pestle bowl. Method of pulverizing in, and is performed through any one selected from the group consisting of a combination of these, the method of manufacturing a composite thermoelectric material.
제1항에 있어서, 상기 분쇄된 리본을 소결하는 단계는 스파크 플라즈마 소성법(Spark Plasma Sintering method), 핫프레스 소결(hot press sintering) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 통해 수행되는 것인, 복합 열전소재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the step of sintering the pulverized ribbon is performed through any one selected from the group consisting of Spark Plasma Sintering method, hot press sintering, and combinations thereof. Phosphorus, composite thermoelectric material manufacturing method.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 복합 열전소재의 제조방법에 의해 제조된 MxBiySb2-yTe3의 복합 열전소재.
A composite thermoelectric material of M x Bi y Sb 2-y Te 3 produced by the method for producing a composite thermoelectric material according to any one of claims 1 to 16.
제17항에 있어서, 상기 복합 열전소재는 298K 내지 473에서 1.0 이상의 성능 지수(ZT) 값을 갖는 것인, 복합 열전소재.
The composite thermoelectric material of claim 17, wherein the composite thermoelectric material has a performance index (ZT) value of 1.0 or higher at 298K to 473.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160117040A (en) * 2015-03-31 2016-10-10 강원대학교산학협력단 Nanocomposite thermoelectric material and process for preparing the same
KR20160125132A (en) * 2015-04-21 2016-10-31 희성금속 주식회사 Method for Bi-Te-based thermoelectric materials using Resistance Heat
KR101719928B1 (en) 2015-12-23 2017-03-27 한국세라믹기술원 MANUFACTURING METHOD OF Bi-Te BASED CERAMICS

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160117040A (en) * 2015-03-31 2016-10-10 강원대학교산학협력단 Nanocomposite thermoelectric material and process for preparing the same
KR20160125132A (en) * 2015-04-21 2016-10-31 희성금속 주식회사 Method for Bi-Te-based thermoelectric materials using Resistance Heat
KR101719928B1 (en) 2015-12-23 2017-03-27 한국세라믹기술원 MANUFACTURING METHOD OF Bi-Te BASED CERAMICS

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115650181A (en) * 2022-10-20 2023-01-31 中国科学院合肥物质科学研究院 N-type PbTe-based thermoelectric material and preparation method thereof

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