KR100645596B1 - Method for producing skutterudite cosb3 thermoelectric materials - Google Patents

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김일호
이정일
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충주대학교 산학협력단
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Abstract

A skutterudite CoSb3 thermoelectric material producing method is provided to improve the thermoelectric characteristic like a seebeck coefficient, electric conductivity, and thermoelectric power factor by producing skutterudite CoSb3 by an arc melting method and changing a microstructure by annealing the skutterudite CoSb3 under an optimal condition. The skutterudite CoSb3 thermoelectric material producing method comprises the steps of: arc-melting Co(Cobalt) and Sb(Stibium) elements under the atmosphere of Ar(Argon); executing re-melting more than one time to prevent the homogenization and segregation of a composition; and annealing the CoSb3 produced by an arc melting method. The CoSb3 is annealed at 300-500 deg.C. The CoSb3 has a microstructure without pores or cracks and good thermoelectric characteristic if the CoSb3 is annealed at 400 deg.C for 24 hours.

Description

스커테루다이트 CoSb3 열전재료 제조방법{METHOD FOR PRODUCING SKUTTERUDITE CoSb3 THERMOELECTRIC MATERIALS}SCHERTUDITE COTSB 3 Thermoelectric material manufacturing method {METHOD FOR PRODUCING SKUTTERUDITE CoSb3 THERMOELECTRIC MATERIALS}

도 1은 아크 용해 및 진공 어닐링된 CoSb3의 미세조직을, (a)응고 상태 그대로, (b)400℃/24hrs, (c)500℃/24hrs, (d)600℃/24hrs, (e)700℃/24hrs, (f)800℃/24hrs의 조건에 대해 나타내는 그래프이다. 1 shows the microstructures of arc melted and vacuum annealed CoSb 3 in (a) solidified state, (b) 400 ° C./24hrs, (c) 500 ° C./24hrs, (d) 600 ° C./24hrs, (e) It is a graph shown about the conditions of 700 degreeC / 24hrs, (f) 800 degreeC / 24hrs.

도 2는 어닐링 조건에 따른 상변화를 X선 회절 분석한 결과를, (a)응고 상태 그대로, (b)300℃/24hrs, (c)400℃/24hrs, (d)500℃/24hrs, (e)600℃/24hrs, (f)700℃/24hrs 및 (g)800℃/24hrs의 조건에 대해 나타내는 그래프이다. 2 shows the results of X-ray diffraction analysis of the phase change according to the annealing conditions, (a) as it is solidified, (b) 300 ° C / 24hrs, (c) 400 ° C / 24hrs, (d) 500 ° C / 24hrs, ( e) It is a graph shown about the conditions of 600 degreeC / 24hrs, (f) 700 degreeC / 24hrs, and (g) 800 degreeC / 24hrs.

도 3은 제벡 계수의 온도 의존성을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the temperature dependence of the Seebeck coefficient.

도 4는 온도 변화에 따른 전기 전도도의 변화를 나타낸 그래프이다. Figure 4 is a graph showing the change in electrical conductivity with temperature changes.

도 5는 상온에서부터 600K까지 측정한 제벡 계수와 전기 전도도로부터 열전능 인자(thermoelectric power factor)를 분석하여 나타낸 그래프이다. 5 is a graph illustrating a thermoelectric power factor analysis from Seebeck coefficient and electrical conductivity measured from room temperature to 600K.

최근 열-전기 에너지 변환특성을 가지고 있는 차세대 재료로서 스커테루다이 트(skutterudite) 화합물에 대한 연구가 진행되고 있다. Recently, studies on scutterudite compounds as a next-generation material having thermal-electric energy conversion characteristics have been conducted.

스커테루다이트 화합물은 격자 열전도도의 감소에 의한 열전에너지 변환특성의 향상이 기대되는 재료로 잠재력이 풍부하다. 스커테루다이트는 노르웨이의 스커테루드(Skutterud)에서 나오는 천연광물로서 (Fe,Co,Ni)As3의 기본 화학식을 갖는다. 스커테루다이트 구조는 결정학적으로 Im3(Th 5)의 공간군(space group)에 속하고 기본형(prototype)이 CoAs3으로서, 단위격자 안에 8개의 TX3 group에 32개의 원자를 포함하고 있어 비교적 단위격자가 크기 때문에 격자 열전도도의 감소에 의한 열전특성의 향상이 가능한 결정구조이다. 여기서 T는 천이원소로서 Co, Rh, Ir, Fe, Ru, Os 원소가 점유하고, X는 니코젠(pnicogen) 원소로서 P, As, Sb 원소가 점유한다. 또한 T와 X 자리에 어느 원소가 점유하느냐에 따라 융점, 조성, 밴드갭 에너지 등이 달라지며, 이는 열전소재의 특정 사용온도에서의 요구를 충족시키기 위한, 조성 및 도핑농도의 최적화가 가능하다는 것을 의미한다. Scuterrudite compounds are expected to improve thermoelectric energy conversion characteristics by reducing lattice thermal conductivity and are rich in potential. Hibiscus Teruel die teuneun as hibiscus Teruel de natural minerals from the (Skutterud) of Norway (Fe, Co, Ni) have the basic formula of As 3. Scudrudite structure is crystallographically belong to the space group of Im3 (T h 5 ) and its prototype is CoAs 3 , which contains 32 atoms in 8 TX 3 groups in the unit grid. Because of the relatively large unit lattice, it is possible to improve the thermoelectric properties by reducing the lattice thermal conductivity. Here, T is occupied by Co, Rh, Ir, Fe, Ru, Os elements as transition elements, and X is occupied by P, As, Sb elements as niconic (pnicogen) elements. Also, the melting point, composition, and bandgap energy vary depending on which element occupies the T and X positions, which means that the composition and doping concentration can be optimized to meet the requirements of the specific operating temperature of the thermoelectric material. do.

일반적으로 우수한 열전 성능지수를 위한 기본 조건으로 복잡한 결정구조, 무거운 원자량 및 유효질량, 강한 공유결합성, 높은 운반자 이동도, 구성 원자 간의 작은 전기음성도 차이, 복잡한 에너지 밴드 구조 등이 요구된다. 스커테루다이트는 위의 모든 조건을 만족시키는 재료이기 때문에 차세대 열전소재로서 각광받고 있다. In general, basic conditions for excellent thermoelectric performance indexes require complex crystal structures, heavy atomic weights and effective masses, strong covalent bonds, high carrier mobility, small electronegativity differences between constituent atoms, and complex energy band structures. Scutterrudite is in the spotlight as a next-generation thermoelectric material because it is a material satisfying all the above conditions.

CoSb3는 2원계 스커테루다이트 재료 중 열전특성이 가장 우수한 재료로 기대 되어, 연구가 활발히 진행되고 있는 재료이다. CoSb3의 격자 상수는 9.0385Å이고 공극반경은 1.892Å이며 포정 분해 온도는 876℃이다. CoSb3는 반도체 특성을 보이며, 밴드갭 에너지가 약 0.5eV이다. 도핑되지 않은 진성 CoSb3는 p형 반도체이고, CoSb3의 n형 도펀트로 Ni, Pd, Pt, Te 등이 사용된다. CoSb3는 일반적으로 결정성장, 고주파 유도용해, 분말 야금법, 용융/소결 혼합법 등으로 제조되고 있다. CoSb 3 is expected to be the most excellent thermoelectric material among binary scutterudite materials, and is an active research material. The lattice constant of CoSb 3 is 9.0385 Å, the pore radius is 1.892 Å and the cell decomposition temperature is 876 ° C. CoSb 3 exhibits semiconductor characteristics and has a bandgap energy of about 0.5 eV. Undoped intrinsic CoSb 3 is a p-type semiconductor, and Ni, Pd, Pt, Te, and the like are used as n-type dopants of CoSb 3 . CoSb 3 is generally produced by crystal growth, high frequency induction melting, powder metallurgy, melting / sintering mixing, and the like.

본 발명은 전술한 CoSb3의 물성을 개선시킴으로써, 열전 특성이 특히 우수한 재료를 얻을 수 있는 스커테루다이트 CoSb3 제조방법을 제공하는 것이다. The present invention is to provide a method for producing Scutterrudite CoSb 3 which can obtain a material having particularly excellent thermoelectric properties by improving the physical properties of CoSb 3 described above.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 아래와 같은 구성의 CoSb3 제조방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a manufacturing method of CoSb 3 having the following configuration.

원소 상태의 Co와 Sb를 Ar 분위기에서 아크 용해하는 단계; Arc dissolving elemental states of Co and Sb in an Ar atmosphere;

조성의 균질화와 편석을 방지하기 위해서 1회 이상의 재용해를 실시하는 단계; 및Conducting one or more redissolutions to prevent homogenization and segregation of the composition; And

상기 아크 용해법에 의해 제조된 CoSb3를 어닐링하는 단계를 포함하는 스커테루다이트 CoSb3 제조방법. Hibiscus Teruel die bit CoSb 3 The method comprises the step of annealing the CoSb 3 prepared by the arc melting method.

본 발명에서는 어닐링 조건에 따라 CoSb3의 결정 조직이 변화가 있고, 이에 따라서 열전 특성이 현저하게 바뀌는 점에 주목하였다. 그리하여 우수한 열전 특성을 보이는 어닐링 조건을 찾아내었는바, 어닐링은 300-500℃에서 이루어지는 것이 바람직하며, 400℃에서 이루어지는 것이 특히 바람직하다. In the present invention, it has been noted that the crystal structure of CoSb 3 varies depending on the annealing conditions, and thus the thermoelectric properties are remarkably changed. Thus, annealing conditions showing excellent thermoelectric properties were found, and the annealing is preferably performed at 300-500 ° C, particularly preferably at 400 ° C.

이하 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments.

본 실시예에 따른 CoSb3의 제조는 다음과 같이 이루어진다. Preparation of CoSb 3 according to the present embodiment is as follows.

먼저 원소 상태의 Co와 Sb를 Ar 분위기에서 100㎾급 전자빔 발생장치를 이용하여 300A의 전류로 60초 동안 아크 용해하였다. 그리고 조성의 균질화를 이루고 편석을 방지하기 위해서 5회에 걸쳐 재용해를 실시하였다. Ar 가스와 챔버 내의 산소를 제거하기 위해 Ti 게터(getter)를 사용하였다. 용해 시에는 챔버 내의 진공도를 1.0x10-5 mbar 이하로 배기한 후, 고순도 Ar 가스를 주입하여 진공도를 2.0x10-4 mbar로 조정하였다. 전자빔의 편향 방식(deflection mode)은 타원 방식이었다. 이와 같이 아크 용해법으로 제조된 CoSb3를 300-800℃까지 24시간 진공 어닐링하였다. First, elemental Co and Sb were arc-dissolved at a current of 300 A for 60 seconds using a 100 kW electron beam generator in an Ar atmosphere. In order to homogenize the composition and prevent segregation, redissolved five times. Ti getters were used to remove Ar gas and oxygen in the chamber. At the time of dissolution, the vacuum degree in the chamber was evacuated to 1.0 × 10 −5 mbar or less, and then, the high purity Ar gas was injected to adjust the vacuum degree to 2.0 × 10 −4 mbar. The deflection mode of the electron beam was an elliptic method. The CoSb 3 thus prepared was subjected to vacuum annealing up to 300-800 ° C. for 24 hours.

이렇게 제조된 CoSb3를 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 미세조직을 관찰하였으며, 에너지 분산 분광기(EDS)를 이용하여 조성을 분석하였다. 또 용해와 어닐링 공정 중 발생하는 상변화를 조사하기 위해 X선 회절 분석기를 이용하여 상분석을 하였다. 또한 CoSb3의 열전특성(제벡 계수, 전기 전도도, 열전능 인자)을 측정하였으며, 온도 의존성 및 어닐링 효과에 관해서도 분석하였다. 열전특성을 측정 하기 위한 시편의 크기는 3x3x8㎣이었고, 정방형 방향으로의 특성을 측정하였다. 시편의 양단에 5℃ 정도의 온도차를 부여하여 이때 발생된 열기전력(thermal electric motive force)을 측정하는 일정 온도 기울기법으로 제벡 계수를 측정하였고, 통상적인 DC 4-탐침법(4-probe method)으로 전기 전도도를 측정하였다. 측정된 제벡 계수와 전기 전도도로부터 열전능 인자(thermoelectric power factor)를 구하여 소재의 열전 특성을 종합 평가하였다. 이때 시편의 온도 안정화 및 정상상태의 열전달을 위하여 진공 중에서 측정을 하였다. 또 어닐링 조건에 따른 상변태에 의한 열전특성의 온도 의존성을 알아보고자 시편의 온도를 300-600K까지 변화시켜 열전특성을 측정하였다. CoSb 3 thus prepared was observed in a microstructure using a scanning electron microscope (SEM), and the composition was analyzed using an energy dispersive spectrometer (EDS). In addition, phase analysis was performed using an X-ray diffraction analyzer to investigate the phase change occurring during the dissolution and annealing process. In addition, the thermoelectric properties (seebeck coefficient, electrical conductivity, thermoelectric factor) of CoSb 3 were measured, and the temperature dependence and annealing effects were also analyzed. The specimen size for measuring thermoelectric properties was 3x3x8㎣ and the properties in the square direction were measured. The Seebeck coefficient was measured by a constant temperature gradient method of measuring a thermal electric motive force generated by applying a temperature difference of about 5 ° C. at both ends of the specimen, and using a conventional DC 4-probe method. The electrical conductivity was measured by. The thermoelectric power factor was calculated from the measured Seebeck coefficient and the electrical conductivity to comprehensively evaluate the thermoelectric properties of the material. At this time, the measurement was performed in vacuum for temperature stabilization and heat transfer in a steady state. In addition, the thermoelectric properties were measured by changing the temperature of the specimen to 300-600K to investigate the temperature dependence of the thermoelectric properties due to the phase transformation according to the annealing conditions.

이와 같이 제조된 CoSb3의 조직 및 측정된 물성을 도 1 내지 도 5에 나타내었다. The structure and measured physical properties of CoSb 3 thus prepared are shown in FIGS. 1 to 5.

도 1은 아크 용해된 CoSb3에 대한 진공 어닐링 조건에 따른 미세조직을 나타낸 그래프이다. 아크 용해 후 어닐링하지 않은 응고상태의 시편은 기공과 균열이 없는 건전한 미세조직을 얻을 수 있었고, 400℃에서 24시간 어닐링하여도 건전한 미세조직을 유지하였다. 그러나 어닐링 온도를 500℃ 이상으로 상승하면 상당한 기공과 균열이 발견되었다. 이것은 어닐링과 냉각에 따른 상변화(격자변화), 열팽창/수축, 상분해 및 Sb의 증발 등에 기인한 것으로 판단된다. Co-Sb계 화합물은 β-CoSb(육방정계, a=3.8800Å, c=5.1850Å), γ-CoSb2(사방정계, a=5.5960Å, b=6.3730Å, c=3.3700Å), γ'-CoSb2(단사정계, a=6.5081Å, b=6.3883Å, c=6.5434 Å) 및 δ-CoSb3(입방정계, a=9.0385Å)가 존재하며, 이들의 결정구조와 격자상수가 크게 차이가 나므로, 용해/응고 시편과 같이 기계적 강도가 상대적으로 낮을 경우 격자 변태에 의한 균열(팽창/수축)이 발생할 수 있다. 실제로 500℃ 이상에서 어닐링한 후 상온으로 냉각시키면 시편이 파괴되는 현상이 관찰되었다. 또한 CoSb3상이 고온에 노출되면 상분해가 되어 유리된 Sb가 증발되는 것을 알 수 있었고, 이로 인해 많은 기공이 관찰되었다. 1 is a graph showing the microstructure according to vacuum annealing conditions for arc-dissolved CoSb 3 . After arc melting, the solidified specimens which were not annealed could obtain a healthy microstructure without pores and cracks, and maintained a healthy microstructure even after annealing at 400 ° C. for 24 hours. However, when the annealing temperature was raised above 500 DEG C, significant pores and cracks were found. This may be due to phase change (lattice change) due to annealing and cooling, thermal expansion / contraction, phase decomposition, and evaporation of Sb. Co-Sb compounds include β-CoSb (hexagonal, a = 3.8800 Hz, c = 5.1850 Hz), γ-CoSb 2 (orthogonal, a = 5.5960 Hz, b = 6.3730 Hz, c = 3.3700 Hz), γ ' -CoSb 2 (single monoclinic, a = 6.5081 b, b = 6.3883Å, c = 6.5434Å) and δ-CoSb 3 (cubic system, a = 9.0385Å), and their crystal structure and lattice constant differ greatly Therefore, cracks (expansion / contraction) may occur due to lattice transformation when the mechanical strength is relatively low, such as melting / solidification specimens. In fact, when the annealing at 500 ℃ or more and cooled to room temperature, the phenomenon that the specimen is destroyed. In addition, when the CoSb 3 phase was exposed to high temperature, it was found that the Sb evaporated due to phase decomposition and many pores were observed.

도 2는 어닐링 조건에 따른 상변화를 X선 회절에 의해 분석한 결과이다. 어닐링하지 않은 시편의 경우, δ-CoSb3뿐만 아니라 β-CoSb, γ-CoSb2 및 Sb이 공존하였다. 이것은 Co와 Sb 원소가 용해/응고시 복잡한 상전이로 인해 완전한 합금화가 되지 않았음을 의미한다. 도 2의 (b)와 같이 300℃에서 24시간 어닐링하면 β, γ 및 Sb의 회절강도가 감소하고 상대적으로 δ상의 회절강도가 증가하였지만, 아직 δ-CoSb3로의 완전한 상변화가 진행되지 않았다. 그러나 도 2의 (c)와 같이 400℃에서 24시간 어닐링에 의해 δ-CoSb3 단상이 성공적으로 합성되었다. 어닐링 온도를 500℃ 이상으로 상승하면, 다시 δ상이 β상과 γ상으로 분해되는 것을 알 수 있다. 또한 어닐링 온도를 700℃ 이상으로 상승하면 δ상과 γ상은 완전히 분해되어 β상만 존재하는 것을 확인하였다. 이에 대한 상분해 과정을 정리하면 다음의 반응과 같다. 2 is a result of analyzing the phase change according to the annealing conditions by X-ray diffraction. For specimens not annealed, β-CoSb, γ-CoSb 2 as well as δ-CoSb 3 And Sb coexisted. This means that the Co and Sb elements are not fully alloyed due to complex phase transitions during dissolution / solidification. After annealing at 300 ° C. for 24 hours as shown in FIG. 2B, the diffraction intensities of β, γ, and Sb were decreased and the diffraction intensity of the δ phase was relatively increased, but a complete phase change to δ-CoSb 3 did not proceed. However, δ-CoSb 3 by annealing at 400 ° C. for 24 hours as shown in FIG. Single phase was successfully synthesized. It turns out that when annealing temperature rises to 500 degreeC or more, a delta phase will decompose | disassemble into a (beta) phase and a (gamma) phase again. In addition, when the annealing temperature was raised to 700 ° C. or higher, the δ phase and the γ phase were completely decomposed to confirm that only the β phase was present. The phase decomposition process is summarized as follows.

δ-CoSb3 → γ-CoSb2 + Sb↑ (500℃<T<600℃ at 10-6 torr)δ-CoSb 3 → γ-CoSb 2 + Sb ↑ (500 ℃ <T <600 ℃ at 10 -6 torr)

γ-CoSb2 → β-CoSb + Sb↑ (700℃<T<800℃ at 10-6 torr)γ-CoSb 2 → β-CoSb + Sb ↑ (700 ℃ <T <800 ℃ at 10 -6 torr)

여기서 ↑ 표시는 증발을 의미한다. 도 2의 (d)-(g)와 같이 500℃ 이상에서 어닐링한 시편에서 δ상과 γ상으로부터 분해된 Sb의 회절피크가 관찰되지 않았다. 이는 Sb의 융점이 630.8℃이고 비교적 증기압이 높기 때문에, 상분해 후 생성된 Sb는 용융 증발되었기 때문이다.Where ↑ means evaporation. As shown in (d)-(g) of FIG. 2, no diffraction peaks of Sb decomposed from the δ and γ phases were observed in the specimens annealed at 500 ° C. or higher. This is because the melting point of Sb is 630.8 ° C. and the vapor pressure is relatively high, so that Sb produced after the phase decomposition is melt evaporated.

γ-CoSb2와 β-CoSb는 금속상이고, Sb는 반금속(semimetallic)상이며, δ-CoSb3는 반도체상이기 때문에 구성상의 종류에 따라 열전특성이 변하게 된다. 어닐링 전후 상변화에 따른 열전특성의 변화와 이에 대한 온도 의존성을 조사하기 위하여 상온부터 600K까지 제벡 계수, 전기 전도도 및 열전능 인자를 측정하였다. Since γ-CoSb 2 and β-CoSb are metal phases, Sb is a semimetallic phase, and δ-CoSb 3 is a semiconductor phase, the thermoelectric properties change depending on the type of the composition. Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermoelectric parameters were measured from room temperature to 600K to investigate the change of thermoelectric properties and the temperature dependence according to the phase change before and after annealing.

도 3은 제벡 계수의 온도 의존성을 나타낸 것이다. 어닐링 전 응고상태의 시편의 경우 모든 측정온도 구간에서 수십 ㎶/K의 매우 낮은 값을 나타내었고, 300℃에서 24시간 어닐링하여도 550-600K부근에서 90㎶/K 정도로 약간 증가할 뿐 300℃에서 어닐링에 의한 제벡 계수의 큰 변화는 나타나지 않았다. 이는 원하지 않은 금속상 또는 반금속상인 β-CoSb, γ-CoSb2 및 Sb가 존재하기 때문이다. 그러나 어닐링 온도를 400℃로 상승할 경우 도 2의 (c)에 나타난 X선 회절 분석 결과와 같이 모두 δ-CoSb3상으로 변태하여, 측정온도가 상승할수록 제벡 계수가 급격히 증가하였으며, 최고 229 ㎶/K의 값을 보였다.3 shows the temperature dependence of the Seebeck coefficient. In the case of solidified specimen before annealing, it showed very low value of several tens of ㎶ / K at all measurement temperature ranges, and it increased slightly to about 90㎶ / K at 550-600K even after annealing at 300 ℃ for 24 hours, at 300 ℃. No significant change in Seebeck coefficient by annealing was seen. This is because there are β-CoSb, γ-CoSb 2 and Sb, which are unwanted metal phases or semimetal phases. However, when the annealing temperature was raised to 400 ℃, all transformed into δ-CoSb 3 phase as shown in the X-ray diffraction analysis shown in (c) of FIG. 2, and the Seebeck coefficient rapidly increased as the measured temperature was increased, up to 229 ㎶. / K was shown.

도 4는 온도 변화에 따른 전기 전도도의 변화를 나타낸 것이다. 어닐링하지 않은 시편의 경우 상온에서 488Ω-1-1의 높은 값을 보였고, 온도를 상승함에 따라 전기 전도도가 감소하는 금속성질이 강하게 나타났다. 또한 어닐링한 시편에 비해 측정온도 구간에서 높은 전기 전도도를 유지하였다. 그러나 어닐링한 시편의 경우 전기 전도도가 감소하였고, 특히 400℃에서 어닐링할 경우 상온에서 209Ω-1-1의 낮은 값을 보였으며, 온도가 상승함에 따라 약간 감소하나 그 이후 계속 증가하는 진성 반도체 성질이 나타났다. 이는 도 3의 제벡 계수의 온도 의존성과 마찬가지로 400℃의 어닐링에 의해 원하는 열전 반도체상인 δ-CoSb3로 완전히 변태함에 따른 결과이다. 한편, 모든 시편에 대해 시편의 온도가 상승할수록 전기 전도도가 250-300Ω-1-1로 포화되는 경향을 보였고, 이는 온도상승에 따른 운반자의 격자 산란이 우세하게 작용하기 때문으로 판단된다. Figure 4 shows the change in electrical conductivity with temperature changes. The specimen not annealed showed a high value of 488 Ω -1 cm -1 at room temperature and a strong metallic property with decreasing electrical conductivity with increasing temperature. In addition, compared with the annealed specimens, high electrical conductivity was maintained at the measured temperature range. However, the electrical conductivity of the annealed specimens decreased, especially when annealed at 400 ° C, which showed a low value of 209Ω -1 cm -1 at room temperature. Appeared. This is the result of completely transforming into the desired thermoelectric semiconductor δ-CoSb 3 by annealing at 400 ° C. as well as the temperature dependence of the Seebeck coefficient of FIG. 3. On the other hand, as the temperature of the specimen increases for all specimens, the electrical conductivity tended to saturate to 250-300Ω -1 cm -1 , which is considered to be because the lattice scattering of the carrier predominantly increases with temperature.

상온에서부터 600K까지 측정한 제벡 계수와 전기 전도도로부터 열전능 인자를 분석하여 도 5에 나타내었다. 모든 시편에 대하여 상온부터 450K까지는 약 1㎼/㎝K2의 매우 낮은 값을 보였고, 400℃에서 어닐링한 시편의 경우 450K 이상의 온도에서 급격하게 증가하여 575K에서 최대 13㎼/㎝K2의 열전능 인자를 나타내었다. 본 실시예에 따라 아크 용해법으로 제조된 CoSb3는 모두 p형 전도성을 나타내었다. The thermoelectric factor was analyzed from the Seebeck coefficient and the electrical conductivity measured from room temperature to 600K, and the results are shown in FIG. 5. All specimens showed very low values of about 1㎼ / cmK 2 from room temperature to 450K. In the case of specimens annealed at 400 ° C, the temperature increased rapidly at temperatures above 450K, and the maximum thermal power of 13㎼ / cmK 2 at 575K. The factors are shown. CoSb 3 prepared by the arc dissolving method according to the present embodiment showed all p-type conductivity.

이상 결과를 요약하면, 어닐링하지 않은 응고된 상태의 시편은 δ-CoSb3 이외에 β-CoSb, γ-CoSb2 및 Sb원소가 혼합된 상으로 구성되어 금속적인 열전특성을 보였다. 그러나 400℃에서 24시간 진공 어닐링을 할 경우, 기공과 균열이 없는 건전한 미세조직을 갖는 δ-CoSb3로의 상변태가 진행되어 우수한 열전특성을 나타내었다. 500℃ 이상의 온도에서 어닐링할 경우 상분해와 Sb의 증발 및 열팽창/수축 등으로 인한 미세 기공과 균열이 관찰되었으며, 어닐링 후 냉각과정에서 시편이 모두 파괴되었다. 도핑하지 않은 CoSb3가 모두 p형 전도특성을 보이는 진성 반도체 성질을 나타내었다.Summarizing the above results, the unannealed solidified specimen was δ-CoSb 3 In addition to β-CoSb, γ-CoSb 2 And the Sb element mixed phase showed metallic thermoelectric properties. However, when vacuum annealing at 400 ° C. for 24 hours, phase transformation to δ-CoSb 3 , which has a healthy microstructure without pores and cracks, proceeded and showed excellent thermoelectric properties. When annealed at a temperature above 500 ° C, micropores and cracks were observed due to phase decomposition, evaporation of Sb, and thermal expansion / contraction, and all specimens were destroyed during cooling after annealing. All of the undoped CoSb 3 exhibited intrinsic semiconductor properties with p-type conductivity.

이상 설명한 본 발명에 의하면 아크 용해법으로 스커테루다이트 CoSb3를 제조하고 이를 최적의 조건으로 어닐링함으로써, 미세조직을 변화시켜 제벡 계수, 전기 전도도, 열전능 인자 등의 열전 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. According to the present invention described above, by preparing the Scutterrudite CoSb 3 by the arc dissolution method and annealing it under optimum conditions, the microstructure can be changed to improve thermoelectric properties such as Seebeck coefficient, electrical conductivity, and thermoelectric factor. There is.

Claims (3)

원소 상태의 Co와 Sb를 Ar 분위기에서 아크 용해하는 단계; Arc dissolving elemental states of Co and Sb in an Ar atmosphere; 조성의 균질화와 편석을 방지하기 위해서 1회 이상의 재용해를 실시하는 단계; Conducting one or more redissolutions to prevent homogenization and segregation of the composition; 상기 아크 용해법에 의해 제조된 CoSb3를 어닐링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스커테루다이트 CoSb3 제조방법. An annealing method of CoSb 3 prepared by the arc dissolving method, characterized in that it comprises a Scutterrudite CoSb 3 manufacturing method. 제1항에 있어서, 상기 어닐링이 300-500℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 스커테루다이트 CoSb3 제조방법. According to claim 1, hibiscus root CoSb 3 Teruel die method, it characterized in that the annealing takes place in the 300-500 ℃. 제2항에 있어서, 상기 어닐링이 약 400℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 스커테루다이트 CoSb3 제조방법. The method of claim 2 wherein the annealing is performed at about 400 ° C. 3 .
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