KR100924054B1 - Thermoelectric material and method for producing same - Google Patents

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KR100924054B1
KR100924054B1 KR1020057009595A KR20057009595A KR100924054B1 KR 100924054 B1 KR100924054 B1 KR 100924054B1 KR 1020057009595 A KR1020057009595 A KR 1020057009595A KR 20057009595 A KR20057009595 A KR 20057009595A KR 100924054 B1 KR100924054 B1 KR 100924054B1
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Abstract

결정의 평균 입경이 50 ㎚ 이하인 열전 재료이며, 상대 밀도가 85 % 이상인 열전 재료이다. 또한, 미세 분말을 제작하는 공정과, 미세 분말을 1.0 ㎬ 이상 10 ㎬ 이하의 압력 하에서 소결 혹은 고정시키는 공정을 포함하는 열전 재료의 제조 방법이다.It is a thermoelectric material whose average particle diameter of a crystal | crystallization is 50 nm or less, and is a thermoelectric material whose relative density is 85% or more. Moreover, it is a manufacturing method of a thermoelectric material including the process of manufacturing a fine powder, and the process of sintering or fixing a fine powder under pressure of 1.0 kPa or more and 10 kPa or less.

펠티에 소자, 가스 아토마이즈법, 볼밀Peltier element, gas atomization method, ball mill

Description

열전 재료 및 그 제조 방법{THERMOELECTRIC MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING SAME}Thermoelectric material and its manufacturing method {THERMOELECTRIC MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은 제벡 효과(seebeck effect)에 의한 열전 발전 및 펠티에 효과에 의한 직접 냉각 및 가열에 이용되는 열전 소자를 구성하는 열전 재료에 관한 것이다. 이 열전 소자에 이용되는 열전 재료로서는, Bi2Te3계, 스카텔다이트형 구조 CoSb3계 금속간 화합물, 하프 휘슬러(MgAgAs)형 구조의 ZrNiSn 등, FeSi2, MnSi1.73 등이 알려져 있다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to thermoelectric materials constituting thermoelectric elements used for thermoelectric power generation by the Seebeck effect and direct cooling and heating by the Peltier effect. As the thermoelectric material used in this thermoelectric element, FeSi 2 , MnSi 1.73, etc. are known, such as a Bi 2 Te 3 type, a skatellite type CoSb 3 type intermetallic compound, a ZrNiSn having a half Whistler (MgAgAs) type structure, and the like.

제벡 효과에 의한 열전 발전 및 펠티에 효과에 의한 직접 냉각 및 가열 등의 열전 기술은 종래의 압축기를 이용한 기술에 비해, Thermoelectric technologies such as thermoelectric power generation by the Seebeck effect and direct cooling and heating by the Peltier effect are compared to those using conventional compressors.

① 시스템의 구성이 간단하고 소형화가 가능① Simple system configuration and compact size

② 프론 등의 냉매를 사용하지 않는다② Do not use refrigerants such as fron

③ 가동부가 없어 내구성ㆍ신뢰성ㆍ정음성이 우수하다③ No moving parts, excellent durability, reliability and quietness

등의 특징을 갖고 있어, 잠재적으로 매우 우수한 기술이다. 그러나, 기존에는 열전 소자에 의한 에너지의 변환 효율은 종래의 압축기를 이용한 시스템을 하회하므로, 고성능 CPU 및 장거리 광통신에 이용되는 LD의 냉각이나, 휴대형 냉장고 등에 펠티에 소자로서 이용되고 있을 뿐이다. 이 열전 기술의 이용 분야를 확대하기 위해서는 변환 효율의 향상이 필수이고, 이로 인해서는 열전 재료의 열전 특성을 향상시킬 필요가 있다. It has such features as a potentially very good technology. However, conventionally, the conversion efficiency of energy by thermoelectric elements is less than that of a system using a conventional compressor, and thus, they are only used as Peltier elements for cooling of LD used in high-performance CPUs and long-distance optical communications, portable refrigerators, and the like. In order to expand the field of application of this thermoelectric technology, it is necessary to improve the conversion efficiency, and therefore, it is necessary to improve the thermoelectric properties of the thermoelectric material.

열전 재료의 성능은 다음 식에서 나타내는 성능 지수에 대표된다. The performance of the thermoelectric material is represented by the figure of merit expressed by the following equation.

Z = S2/(ρㆍκ)Z = S 2 / (ρ · κ)

S : 제벡 계수(V/K)S: Seebeck coefficient (V / K)

ρ : 비저항(Ωm)ρ: resistivity (Ωm)

κ : 열전도율(W/mK)κ: thermal conductivity (W / mK)

이에 의해, 열전 재료의 성능 향상을 위해서는 제벡 계수의 증가 및 비저항과 열전도율의 감소가 유효한 것을 알 수 있다. As a result, it can be seen that an increase in Seebeck coefficient and a decrease in specific resistance and thermal conductivity are effective for improving the performance of the thermoelectric material.

제벡 계수는 물질의 전자 구조에 기인하므로, 재료나 조성에 의해 거의 결정된다. 따라서, 제벡 계수의 증가를 위해서는 재료계의 탐색이나 도핑 종류ㆍ양의 최적화 등이 중요하다. 이에 대해, 비저항은 전자 구조뿐만 아니라 격자 진동이나 불순물 등의 영향을 받는다. 또한, 열전도율은 그 크기를 결정하는 요인 중 고성능인 열전 재료에서는 통상 격자 진동의 기여가 절반 이상을 차지한다. 따라서, 비저항, 열전도율을 감소시키기 위해서는 재료 공학적인 조직 제어 등이 중요하다고 생각된다. Seebeck coefficient is due to the electronic structure of the material, and is almost determined by the material and composition. Therefore, in order to increase the Seebeck coefficient, it is important to search the material system and optimize the doping type and amount. On the other hand, the specific resistance is influenced not only by the electronic structure but also by lattice vibration and impurities. In addition, the contribution of the lattice vibration is usually more than half in high-performance thermoelectric materials among the factors that determine the thermal conductivity. Therefore, in order to reduce specific resistance and thermal conductivity, it is thought that material engineering structure control is important.

종래 행해져 온 열전 재료의 성능 향상의 연구는 열전도율의 감소를 목적으로 하여, 조직의 미세화나 불순물 도입에 의해 포논 산란을 증대시키는 것을 목적 으로 하고 있었다. 예를 들어, 일본 특허 공개 소56-136635호 공보에서는 초미립 분말과 그보다 입경이 큰 2종류의 분말을 혼합하여 소결함으로써, 입자간에 간극이 없고, 밀도가 높은 소결체를 얻는 방법을 개시하고 있다. 또한, 원료로서 이용하는 초미립 분말의 제조 방법으로서는, 일본 특허 공개 평2-27779호 공보 등에 아크 플라즈마 스패터링법을 이용한 기술의 개시를 볼 수 있다. 일본 특허 공개 제2000-252526호 공보에서는 용액법 등을 이용하여 원료의 미립 분말을 합성하여 이를 소결하여 열전 재료를 제조하는 방법을 나타내고 있다. 일본 특허 공개 제2000-349354호 공보에서는 메커니컬 얼로잉법을 이용하여 미립 분말을 작성하고, 이를 플라즈마 소결함으로써 열전 재료를 제조하는 방법을 개시하고 있다. The study of the performance improvement of the thermoelectric material conventionally performed was aimed at increasing the phonon scattering by refinement | miniaturization of a structure and introduction of an impurity for the purpose of reducing thermal conductivity. For example, Japanese Patent Application Laid-open No. 56-136635 discloses a method of obtaining a sintered compact having a high density and no gaps between particles by mixing and sintering ultrafine powder and two kinds of powders having a larger particle diameter. Moreover, as a manufacturing method of the ultrafine powder used as a raw material, the indication of the technique using the arc plasma sputtering method etc. to Unexamined-Japanese-Patent No. 2-27779 can be seen. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2000-252526 shows a method of producing a thermoelectric material by synthesizing fine powder of a raw material using a solution method or the like and sintering it. Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2000-349354 discloses a method of producing a thermoelectric material by preparing a fine powder using a mechanical alloying method and plasma sintering it.

또한, 일본 특허 공개 평10-209508호 공보에서는, 입경을 50 ㎚ 이상 캐리어 확산 길이 이하로 함으로써 성능을 향상시키는 방법이 개시되어 있고, 입경이 50 ㎚를 하회하면 경험적으로 성능이 저하된다고 개시되어 있다. 이 성능 저하의 원인에 대한 언급은 없지만, 입경을 작게 함으로써 불순물의 증가나 상대 밀도의 저하가 발생하고 있다고 생각된다. 또한, 일본 특허 공개 제2002-76452호 공보에서는, 입자의 크기가 0.5 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내에서 분포하는 결정이 퇴적 또는 분산되어 이루어지는 열전 변환 재료가 개시되어 있다. 그러나, 이 열전 변환 재료는 열전 변환 재료를 구성하는 결정이 퇴적 또는 분산되어 있으므로, 상대 밀도가 낮아져 성능이 저하되는 문제가 있었다. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-209508 discloses a method for improving performance by setting the particle size to 50 nm or more and the carrier diffusion length, and discloses that performance decreases empirically when the particle size is less than 50 nm. . Although there is no mention of the cause of this performance deterioration, it is thought that the increase of an impurity and the fall of a relative density generate | occur | produce by making particle size small. In addition, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-76452 discloses a thermoelectric conversion material in which crystals having a particle size distributed within a range of 0.5 nm to 100 nm are deposited or dispersed. However, in this thermoelectric conversion material, since crystals constituting the thermoelectric conversion material are deposited or dispersed, there is a problem that the relative density is lowered and the performance is lowered.

열전 재료의 성능 지수의 향상은 상술한 초미립 분말을 원료로서 이용하는 것에 의한 조직의 미세화나, 불순물 도입 등의 방법에 의해 열전도율의 감소에 대 해서는 어느 정도 달성되는 것이 확인되어 왔다. 조직을 미세 결정으로 함으로써 포논의 산란이 커지고, 열전도율이 감소하는 것을 이용하는 것이다. 그러나, 실제 성능의 향상은 한정적이었다. 그 이유로서는, 초미세 입자 제작 기술이나 소결 기술에 한계가 있고, 미세 결정 조직을 갖는 소결체의 제작이 불가능했기 때문이다. 또한, 결정의 미세화는 통상 비저항의 증가를 수반하므로, 전체적으로 성능 지수의 증가에 이르지 않는 경우도 있었다. It has been confirmed that the improvement of the thermal index of the thermoelectric material is achieved to some extent by the reduction of the thermal conductivity by a method such as miniaturization of the structure by using the above-mentioned ultrafine powder as a raw material or introduction of impurities. By making a microcrystal into a structure, scattering of a phonon increases and thermal conductivity decreases. However, the improvement in actual performance was limited. The reason for this is that ultrafine particle production technology and sintering technology have limitations, and production of a sintered body having a microcrystalline structure is impossible. In addition, since the refinement of the crystal usually involves an increase in the specific resistance, there are cases in which the increase in the figure of merit is not reached.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하여, 열전 재료의 비저항의 증가를 최소한으로 하여 열전도율을 감소시킴으로써 고성능인 열전 재료를 제공하는 것을 과제로 한다. This invention solves the problem of the said prior art, and makes it a subject to provide a high performance thermoelectric material by reducing the thermal conductivity by minimizing the increase of the specific resistance of a thermoelectric material.

본 발명은 결정의 평균 입경이 50 ㎚ 이하인 열전 재료이며, 열전 재료의 상대 밀도가 85 % 이상인 열전 재료이다. This invention is a thermoelectric material whose average particle diameter of a crystal | crystallization is 50 nm or less, and a thermoelectric material whose relative density of a thermoelectric material is 85% or more.

여기서, 본 발명의 열전 재료의 입계 부분의 EDS 분석에 있어서, 불순물 원소의 검출 강도가 열전 재료의 구성 원소 중 검출 강도가 최대인 것의 강도의 1/5 이하인 것이 바람직하다. Here, in the EDS analysis of the grain boundary part of the thermoelectric material of this invention, it is preferable that the detection intensity of an impurity element is 1/5 or less of the intensity of the maximum detection intensity among the structural elements of a thermoelectric material.

또한, 본 발명의 열전 재료의 비저항은 1 × 10-3 Ωm 이하인 것이 바람직하다. Moreover, it is preferable that the specific resistance of the thermoelectric material of this invention is 1 * 10 <-3> ( ohm) m or less.

또한, 본 발명의 열전 재료의 열전도율은 5 W/mK 이하인 것이 바람직하다. Moreover, it is preferable that the thermal conductivity of the thermoelectric material of this invention is 5 W / mK or less.

또한, 본 발명의 열전 재료의 열전도율은 1 W/mK 이하인 것이 바람직하다. Moreover, it is preferable that the thermal conductivity of the thermoelectric material of this invention is 1 W / mK or less.

또한, 본 발명은 미세 분말을 제작하는 공정과, 이들 미세 분말을 1.0 ㎬ 이상 10 ㎬ 이하의 압력 하에서 소결 혹은 고화시키는 공정을 포함하는 열전 재료의 제조 방법이다. Moreover, this invention is a manufacturing method of the thermoelectric material containing the process of manufacturing a fine powder, and the process of sintering or solidifying these fine powders under the pressure of 1.0 kPa or more and 10 kPa or less.

또한, 본 발명의 열전 재료의 제조 방법에 있어서는, 소결 후 혹은 고화 후의 다결정체를 어닐하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다. Moreover, in the manufacturing method of the thermoelectric material of this invention, it is preferable to include the process of annealing the polycrystal after sintering or after solidification.

본 발명자들은 상기한 과제를 극복하기 위해 연구를 진행시킨 결과, 열전 재료를 구성하는 결정의 평균 입경이 50 ㎚ 이하이면 열전도율의 저하가 현저하고, 또한 그에 대한 비저항의 증가가 작다는 지견을 얻고, 또는 입계에 존재하는 불가피한 불순물을 저감시키는 것이 비저항의 감소에 효과적이라는 지견을 얻었다. 또한, 입계에 존재하는 불순물을 최소로 제어하고, 또한 미세 결정 조직을 얻을 수 있는 제조 방법을 발견하여, 이들을 기초로 본 발명을 완성시켰다. MEANS TO SOLVE THE PROBLEM As a result of carrying out research in order to overcome the said subject, when the average particle diameter of the crystal | crystallization which comprises a thermoelectric material is 50 nm or less, the knowledge of the fall of thermal conductivity is remarkable, and the increase of the specific resistance to it is acquired little, Alternatively, it has been found that reducing the inevitable impurities present in the grain boundaries is effective in reducing the specific resistance. In addition, the present inventors have found a manufacturing method capable of controlling the impurities present at the grain boundaries to a minimum and obtaining a microcrystalline structure, and completed the present invention based on these.

즉, 본 발명에 의한 열전 재료는 결정의 평균 입경이 50 ㎚ 이하인 것을 특징으로 한다. 결정의 평균 입경을 50 ㎚ 이하로 제어함으로써 소결체 중에서의 포논의 산란을 촉진하고, 열전도율을 낮게 억제할 수 있어 열전 재료의 성능을 향상시킬 수 있다. 결정의 평균 입경과 열전 재료의 열전도율과의 상관은 재료에 따라 다르지만, 결정의 평균 입경이 50 ㎚ 이하인 경우에는 열전도율의 감소 효과가 커진다. 이는 포논의 평균 자유 행정에 대해 결정의 평균 입경이 충분히 작아짐으로써 포논의 산란이 촉진되고, 열전 재료의 열전도율이 저하되기 때문으로 추정된다. 열전 재료의 열전도율을 감소시키는 관점에서는, 결정의 평균 입경이 작을수록 바 람직하지만, 결정의 평균 입경의 최소치는 사실상 제조 한계로서 0.001 ㎛ 정도이다. 또, 본원에서 말하는 열전 재료의 결정의 평균 입경이라 함은, 투과 전자 현미경 관찰에서 확인할 수 있는 열전 재료 중 하나의 결정 입자를 구성하는 복수의 결정자(단결정이라 간주할 수 있는 미결정) 사이즈의 평균치로, 구체적으로는 이하의 방법으로 구하였다. 즉, 투과 전자 현미경(이하, TEM이라 함)에서 얻게 된 화상의 임의의 장소에 있어서, 결정자 50개를 지나는 직선을 빼고, 그 직선 중 결정자를 가로지르는 길이의 합계치를 결정자의 수 50으로 나눔으로써 얻게 된 수치를 열전 재료의 결정의 평균 입경이라 하였다. That is, the thermoelectric material according to the present invention is characterized in that the average particle diameter of the crystal is 50 nm or less. By controlling the average particle diameter of the crystal to 50 nm or less, the scattering of phonons in the sintered body can be promoted, the thermal conductivity can be suppressed low, and the performance of the thermoelectric material can be improved. The correlation between the average particle diameter of the crystal and the thermal conductivity of the thermoelectric material varies depending on the material. However, when the average particle diameter of the crystal is 50 nm or less, the effect of reducing the thermal conductivity becomes large. This is presumably because the average particle diameter of the crystal is sufficiently small with respect to the average free path of the phonon to promote scattering of the phonon and to lower the thermal conductivity of the thermoelectric material. In view of reducing the thermal conductivity of the thermoelectric material, the smaller the average particle diameter of the crystal is preferable, the minimum value of the average particle diameter of the crystal is in fact about 0.001 μm as a production limit. In addition, the average particle diameter of the crystal | crystallization of a thermoelectric material said here is an average value of the some crystallite (microcrystal which can be considered single crystal) size which comprises the crystal grain of one of the thermoelectric materials which can be confirmed by transmission electron microscope observation. Specifically, it calculated | required by the following method. That is, in any place of an image obtained by a transmission electron microscope (hereinafter referred to as a TEM), a straight line passing through 50 crystallites is subtracted, and the sum of the lengths across the crystallites divided by the number of crystallites 50 is determined. The obtained numerical value was called the average particle diameter of the crystal | crystallization of a thermoelectric material.

또한, 본 발명의 열전 재료의 상대 밀도는 85 % 이상인 것이 바람직하고, 90 % 이상인 것이 더욱 바람직하다. 열전 재료의 상대 밀도가 85 % 미만인 경우에는 열전 재료의 열전도율이 약간 저하되지만, 전자 전도에 필요한 결정간의 접촉이 적으므로 도전율이 급격히 감소하여 성능이 대폭 저하된다. 여기서, 상대 밀도라 함은, 열전 재료의 전체의 체적에 대한 열전 재료로부터 공극을 제외한 부분의 체적의 비율을 말한다. Moreover, it is preferable that it is 85% or more, and, as for the relative density of the thermoelectric material of this invention, it is more preferable that it is 90% or more. When the relative density of the thermoelectric material is less than 85%, the thermal conductivity of the thermoelectric material is slightly lowered. However, since the contact between the crystals required for electron conduction is small, the conductivity is drastically reduced and the performance is greatly reduced. Here, the relative density refers to the ratio of the volume of the portion excluding the voids from the thermoelectric material to the volume of the entire thermoelectric material.

또한, 본 발명에 의한 열전 재료에서는, 열전 재료의 결정 입계 부분의 EDS 분석에 있어서 불순물 원소의 검출 강도가 열전 재료의 구성 원소 중 검출 강도가 최대인 것의 강도의 1/5 이하인 것이 바람직하다. 결정입계의 불순물을 낮은 레벨로 압박함으로써 상기 열전 재료의 비저항을 낮게 억제할 수 있으므로, 열전 재료의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 결정입계에 존재하는 불순물은 포논의 산란에 기여하고, 열전 재료의 열전도율의 저감에 효과가 있으므로, 약간은 존재하는 쪽이 바람직하다. 그러나, 한편, 결정입계를 구성하는 입자간의 전기 전도를 현저하게 저해하는 역효과가 있으므로, 극히 미량인 것이 바람직하다. 여기서, 불순물 원소의 검출 강도가 열전 재료의 구성 원소 중 검출 강도가 최대인 것의 강도의 1/5 이하인 것에는 입계 부분의 EDS 분석을 행하였을 때에 불순물 원소량이 기계의 검출 한계 이하이므로 검출되지 않은 것도 포함된다. 또한, EDS 분석이라 함은, 에너지 분산형 X선 분석 장치에 의한 분석인 것이다. In the thermoelectric material according to the present invention, in the EDS analysis of the grain boundary part of the thermoelectric material, the detection intensity of the impurity element is preferably 1/5 or less of the strength of the maximum detection intensity among the constituent elements of the thermoelectric material. Since the specific resistance of the thermoelectric material can be suppressed by pressing the impurities at the grain boundaries at a low level, the performance of the thermoelectric material can be further improved. Since impurities present at the grain boundaries contribute to scattering of phonons and are effective in reducing the thermal conductivity of the thermoelectric material, they are preferably present slightly. However, on the other hand, since there is an adverse effect of remarkably inhibiting the electrical conduction between the particles constituting the grain boundary, it is preferably very small. Here, when the detection intensity of the impurity element is 1/5 or less of the strength of the maximum detection intensity among the constituent elements of the thermoelectric material, the amount of impurity element is not detected when the EDS analysis of the grain boundary part is less than the detection limit of the machine. It also includes. In addition, EDS analysis is an analysis by an energy-dispersive X-ray analyzer.

또한, 본 발명에 의한 열전 재료에서는 그 비저항이 1 × 10-3 Ωm 이하인 것이 바람직하다. 열전 재료의 비저항을 작게 한 경우에는, 상술한 성능 지수를 상승시킬 수 있기 때문이다. 동시에, 열전 재료의 열전도율이 작은 것도 성능 지수를 향상시키는 것이 되므로, 본 발명의 열전 재료의 열전도율은 5 W/mK 이하인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 열전 재료의 열전도율이 1 W/mK 이하인 경우에는, 더욱 열전 재료의 성능 지수를 향상시킬 수 있는 점에서 더욱 바람직하다. 열전 재료의 열전도율은 열전 재료의 종류, 불순물의 양, 결정 구조 등에 따라 변화하는 값이지만, 본원 발명의 제조 방법에 있어서는 상기의 범위(5 W/mK 이하 또는 1 W/mK 이하)로 조정할 수 있다. In the thermoelectric material according to the present invention, the specific resistance thereof is preferably 1 × 10 −3 Ωm or less. This is because the above-described performance index can be increased when the specific resistance of the thermoelectric material is reduced. At the same time, the smaller the thermal conductivity of the thermoelectric material is to improve the figure of merit, so the thermal conductivity of the thermoelectric material of the present invention is preferably 5 W / mK or less. Moreover, when the thermal conductivity of the thermoelectric material of this invention is 1 W / mK or less, it is more preferable at the point which can improve the performance index of a thermoelectric material further. The thermal conductivity of the thermoelectric material is a value that varies depending on the type of thermoelectric material, the amount of impurities, the crystal structure, etc., but in the manufacturing method of the present invention, it can be adjusted within the above range (5 W / mK or less or 1 W / mK or less). .

본 발명에 의한 열전 재료는 미세 분말을 제작하는 공정과, 미세 분말을 0.5 ㎬ 이상 10 ㎬ 이하, 바람직하게는 1.0 ㎬ 이상 10 ㎬ 이하의 압력 하에서 소결 혹은 고화시키는 공정을 포함하는 제조 방법을 이용하여 제조된다. The thermoelectric material according to the present invention uses a manufacturing method including a step of producing a fine powder and a step of sintering or solidifying the fine powder under a pressure of 0.5 Pa or more and 10 Pa or less, preferably 1.0 Pa or more and 10 Pa or less. Are manufactured.

본 발명에 이용되는 미세 분말로서는, 예를 들어 평균 입경 50 ㎚ 이하의 입 자를 이용할 수 있다. 평균 입경 50 ㎚ 이하의 입자를 이용한 경우에는 결정의 평균 입경 50 ㎚ 이하의 열전 재료를 얻을 수 있기 때문이다. As a fine powder used for this invention, the particle | grains of an average particle diameter of 50 nm or less can be used, for example. This is because when the particles having an average particle diameter of 50 nm or less are used, a thermoelectric material having an average particle diameter of 50 nm or less can be obtained.

또한, 미세 분말은 평균 입경 50 ㎚ 이하의 결정자가 결합 고정 부착한 입경 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛의 크기의 2차 입자를 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명의 열전 재료와 같은 미세 결정 조직을 얻고자 한 경우에는 필요해지는 입자의 입경이 매우 작기 때문에 활성이 높고, 입자의 표면이 산화 등에 의해 불순물에 오염되기 쉽기 때문이다. In addition, the fine powder preferably contains secondary particles having a size of 0.1 μm to 100 μm in which crystallites having an average particle diameter of 50 nm or less are bonded and adhered thereto. This is because in the case of obtaining a microcrystalline structure such as the thermoelectric material of the present invention, since the particle size of the particles required is very small, the activity is high, and the surface of the particles is easily contaminated with impurities by oxidation or the like.

또한, 미세 분말은 전위를 포함하는 입자를 포함하는 것이 바람직하다. 입자가 전위나 결함을 포함하고 있는 경우에는 소결 혹은 고화 공정, 또는 그 전후에 가해진 열처리에 있어서 전위나 결함을 기점으로 한 재결정을 생기게 하고, 본 발명의 열전 재료를 미세 결정 조직으로 할 수 있기 때문이다. 여기서, 전위를 포함하는 입자라 함은, 전이나 결함을 포함하여 X선 회절에 의한 결정화도가 70 % 이하인 입자를 말한다. In addition, the fine powder preferably includes particles containing dislocations. In the case where the particles contain dislocations or defects, recrystallization starting from dislocations or defects can be produced in the sintering or solidification step or in the heat treatment applied before and after, and the thermoelectric material of the present invention can be made into a microcrystalline structure. to be. Herein, particles containing dislocations refer to particles having a crystallinity of 70% or less due to X-ray diffraction, including defects and defects.

X선의 전산란 강도, 정확하게는 콤프톤 산란을 제외한 간섭성 산란의 강도는 비정질과 결정질의 양비에 관계없이 항상 일정해진다. 따라서, X선 회절에 의한 결정화도는, 예를 들어 100 % 결정질인 입자의 X선의 산란 강도에 대한 전위를 포함하는 입자의 결정질 부분의 X선의 산란 강도의 비율(%), 또는 100 % 비정질인 입자의 X선의 산란 강도에 대한 전위를 포함하는 입자의 비정질 부분의 X선의 산란 강도의 비율(%)을 100에서 뺀 값(%)에 의해 구할 수 있다. The total scattering intensity of X-rays, and precisely the intensity of coherent scattering except Compton scattering, is always constant regardless of the ratio between amorphous and crystalline. Therefore, the degree of crystallization by X-ray diffraction is, for example, the ratio (%) of the scattering intensity of the X-rays of the crystalline portion of the particle including the potential with respect to the scattering intensity of the X-rays of the particles which are 100% crystalline, or the particles which are 100% amorphous. It can be calculated | required by the value (%) which subtracted from 100 the ratio (%) of the scattering intensity | strength of the X-ray of the amorphous part of the particle | grains containing the electric potential with respect to the scattering intensity | strength of X-ray.

본 발명에 이용되는 미세 분말은 볼밀 등의 기계적 분쇄 방법, 진공중 혹은 불활성 분위기 중에서의 가스 아토마이즈법 또는 열 플라즈마에 의한 미세 분말의 제작 프로세스 등을 이용하여 제작할 수 있다. 기계적 분쇄 방법은 예를 들어 볼밀의 볼이나 포트 사이에 작용하는 전단력에 의해 입자를 분쇄하는 방법이다. 이 방법에 있어서는, 입자 직경이 작아지면 볼이나 포트로부터 받는 압력에 의해 결정자가 결합 고정 부착된 2차 입자를 형성하거나, 미세 분말을 구성하는 입자에 전위나 결함을 도입할 수 있다. 가스 아토마이즈법은 볼밀 등의 기계적 분쇄 방법에 비해 불순물량을 저감시킬 수 있는 방법이고, 융액 상태의 입자에 가스를 내뿜음으로써 입자를 액적 형상으로 하여 급냉하므로, 미세하고 또한 결함을 많이 포함한 입자를 얻을 수 있다. 또한, 열 플라즈마에 의한 미세 분말의 제작 프로세스는 고온의 플라즈마에 의해 미세 분말의 원료를 가스화한 후에 급냉하여 응축함으로써 미세하고 또한 결함을 많이 포함한 입자를 얻는 방법이다. The fine powder used in the present invention can be produced using a mechanical grinding method such as a ball mill, a gas atomizing method in a vacuum or in an inert atmosphere, or a production process of the fine powder by thermal plasma. The mechanical grinding method is a method for grinding particles by, for example, shearing force acting between the ball or the port of the ball mill. In this method, when the particle diameter becomes small, secondary particles to which crystallites are bonded and fixed by the pressure received from the ball or the pot can be formed, or dislocations or defects can be introduced into the particles constituting the fine powder. The gas atomizing method is a method that can reduce the amount of impurities compared to mechanical grinding methods such as ball mills, and rapidly cools the particles in the form of droplets by blowing gas out of the particles in the molten state. Can be obtained. In addition, the production process of the fine powder by thermal plasma is a method of obtaining fine and many defect-containing particles by quenching and condensing the raw material of the fine powder by high temperature plasma.

이들 방법에 의해 도입된 전이나 결함은 소결 중에 재결정의 기점이 되고, 미세 조직을 구성하는 데다가, 소결 체내에서 포논의 산란원이 되어 열전 재료의 열전도율을 저하시키는 효과를 가져온다. The defects or defects introduced by these methods become a starting point of recrystallization during sintering, form a microstructure, and become a scattering source of phonon in the sintered body, resulting in an effect of lowering the thermal conductivity of the thermoelectric material.

그리고, 상술한 방법 등에 의해 준비한 미세 분말을 0.5 ㎬ 이상 10 ㎬ 이하의 압력 하, 바람직하게는 1.0 ㎬ 이상 10 ㎬ 이하의 압력 하에서 소결 혹은 고화시킨다. 이는 미세 분말을 과도한 입자 성장을 생기게 하지 않고, 또한 고밀도로 소결 혹은 고화시키기 위해서이다. 입자 성장을 생기게 하는 일 없이 고밀도의 열전 재료를 얻기 위해서는 가압에 의한 파쇄 과정과, 입자끼리의 미끄러짐 과정 및 소성 유동 과정 등에 의한 치밀화 과정이 필요해진다. 0.5 ㎬ 미만의 압력으로 미 세 분말을 소결 혹은 고화시키는 경우에는, 입자끼리의 미끄러짐 과정이 진행되지 않으므로, 고밀도의 열전 재료를 얻기 힘들다. 또한, 1.0 ㎬ 미만의 압력으로 미세 분말을 소결 혹은 고화시키는 경우에는 미세 분말을 구성하는 입자의 전단 강도에도 관계가 있지만, 미세 분말을 구성하는 입자의 파쇄가 진행되지 않아, 고밀도의 열전 재료를 얻기 어려운 경향이 있다. 한편, 10 ㎬를 넘는 압력으로 미세 분말을 소결 혹은 고화시키는 경우에는 입자 성장을 생기게 하는 일 없이 고밀도의 열전 재료를 얻을 수 있지만, 소결 혹은 고화시의 비용이 급증하는 데다가, 얻게 되는 열전 재료의 체적도 작아진다. 또, 본 발명에 있어서 소결이라 함은, 가열에 의해 2개 또는 그 이상의 입자가 결합하는 현상의 것을 말한다. 또한, 본 발명에 있어서 고화라 함은, 소결 이외의 현상에 의해 2개 또는 그 이상의 입자가 결합하는 현상을 말한다. And the fine powder prepared by the above-mentioned method etc. is sintered or solidified under the pressure of 0.5 Pa or more and 10 Pa or less, Preferably it is 1.0 Pa or more and 10 Pa or less. This is for sintering or solidifying the fine powder without causing excessive grain growth and at high density. In order to obtain a high-density thermoelectric material without causing grain growth, a crushing process by pressurization and a densification process by a slipping process between particles and a plastic flow process are required. In the case of sintering or solidifying the fine powder at a pressure of less than 0.5 kPa, the slipping process between the particles does not proceed, so that it is difficult to obtain a high-density thermoelectric material. In addition, when sintering or solidifying the fine powder at a pressure of less than 1.0 kPa, it is also related to the shear strength of the particles constituting the fine powder, but crushing of the particles constituting the fine powder does not proceed, thereby obtaining a high-density thermoelectric material. It tends to be difficult. On the other hand, when the fine powder is sintered or solidified at a pressure of more than 10 kPa, a high-density thermoelectric material can be obtained without causing grain growth, but the cost of sintering or solidification increases rapidly and the volume of the thermoelectric material obtained Also becomes smaller. In the present invention, sintering refers to a phenomenon in which two or more particles are bonded by heating. In addition, in this invention, solidification means the phenomenon which two or more particle | grains couple | bond with the phenomenon other than sintering.

또한, 미세 분말의 소결 혹은 고화 공정은 절대 온도 표시로 미세 분말을 구성하는 재료의 융점 중 가장 낮은 융점(T1)(K)의 25 % 이상 60 % 이하의 온도에서 행해지는 것이 바람직하다. 미세 분말의 소결 혹은 고화 공정의 온도가 T1의 25 % 미만인 경우에는 미세 분말이 소결 혹은 고화되기 어려워지는 경향이 있고, T1의 60 %보다도 고온인 경우에는 급격한 입자 성장이 발생하게 되는 경향이 있다. In addition, the sintering or solidifying step of the fine powder is preferably performed at a temperature of 25% or more and 60% or less of the lowest melting point T1 (K) among the melting points of the materials constituting the fine powder in absolute temperature display. When the temperature of the sintering or solidification process of the fine powder is less than 25% of T1, the fine powder tends to be difficult to sinter or solidify, and when the temperature is higher than 60% of T1, rapid grain growth tends to occur.

또한, 본 발명의 열전 재료의 제조 방법에 있어서는, 소결 후 혹은 고화 후의 다결정체를 어닐하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명자들은 소결 후 혹은 고화 후의 다결정체를 소정의 온도로 가열 처리(어닐)함으로써, 입자 성장 을 억제한 상태에서 열전 재료의 성능이 향상되는 것을 발견하였다. 어닐이 행해짐으로써, 소결 후 혹은 고화 후의 다결정체 중의 입계의 왜곡 등을 제거하는 효과를 얻을 수 있는 동시에, 통상의 어닐과는 달리 소결 후 혹은 고화 후의 다결정체 중의 입자 성장이 거의 보이지 않는 효과도 얻게 되는 경향이 있다. Moreover, in the manufacturing method of the thermoelectric material of this invention, it is preferable to include the process of annealing the polycrystal after sintering or after solidification. The present inventors have found that the heat treatment (annealing) of a polycrystalline body after sintering or after solidification to a predetermined temperature improves the performance of the thermoelectric material in a state in which grain growth is suppressed. By annealing, the effect of removing the distortion of the grain boundary in the polycrystal after sintering or solidification can be obtained, and unlike the usual annealing, the effect of hardly showing grain growth in the polycrystal after sintering or solidification is also obtained. Tend to be.

여기서, 어닐은 소결 후 혹은 고화 후의 다결정체를 구성하는 재료의 융점 중 가장 낮은 융점(T2)(K)의 45 % 이상 65 % 이하의 온도에서 행해지는 것이 바람직하다. 상기 융점(T2)의 45 % 미만의 온도로 어닐이 행해진 경우에는 입계의 왜곡 등을 제거하는 효과를 얻기 힘들어지는 경향이 있다. 또한, 상기 융점(T2)의 65 %보다도 높은 온도에서 어닐이 행해진 경우에는 급격한 입자 성장에 의해 열전 재료의 열전도율이 대폭으로 상승하여 열전 재료의 성능이 저하되는 경향이 있다. Here, it is preferable that annealing is performed at 45% or more and 65% or less of melting | fusing point T2 (K) among the melting points of the material which comprises the polycrystal after sintering or solidification. When annealing is performed at less than 45% of the melting point T2, the effect of removing distortion of grain boundaries and the like tends to be difficult to be obtained. Moreover, when annealing is performed at temperature higher than 65% of the said melting | fusing point T2, there exists a tendency for the thermal conductivity of a thermoelectric material to rise significantly by rapid grain growth, and the performance of a thermoelectric material falls.

또한, 본 발명의 열전 재료의 제조 방법에 있어서는, 미세 분말을 제작하는 공정 및 미세 분말을 소결 혹은 고화하는 공정은 불활성 가스 분위기 또는 진공 분위기에서 행해지는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 열전 재료에 불순물이 혼입하기 어려워지기 때문이다. In the thermoelectric material production method of the present invention, the step of producing the fine powder and the step of sintering or solidifying the fine powder are preferably performed in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere. This is because impurities hardly mix in the thermoelectric material.

이하, 본 발명의 구체적 형태를 실시예에 의해 설명한다. EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the specific form of this invention is demonstrated by an Example.

(제1 실시예)(First embodiment)

열전 재료로서, 원료가 저가이고 입수하기 쉬운 FeSi2를 선택하여 본 발명의 효과의 검증을 행하였다. 시판되고 있는 FeSi2 분말(입경 10 내지 20 ㎛)을 철로 된 볼과 함께 철로 된 포트로 밀폐하고, Ar 치환에 의해 불활성 가스 분위기로 한 후 유성 볼밀로 10시간 분쇄를 행하였다. 분쇄 후의 FeSi2 분말의 2차 입자 직경은 SEM 관찰에 의해 0.5 내지 2 ㎛인 것을 확인하였다. 결정자의 사이즈를 FeSi2 분말의 XRD 측정의 적분 폭으로부터 구하여(Hall의 방법), 5 내지 10 ㎚(결정자의 평균 입경 8 ㎚)인 것이 판명되었다. 또한, 이 FeSi2 분말을 Ar 글로브 박스 중에서 Ni로 된 캡슐로 충전 및 밀폐하고, 3 ㎬의 압력 하에서 700 ℃로 30분 소결을 행하였다. 소결 후의 XRD 측정에 의해, 소결체는 FeSi2 단상인 것을 확인하였다. 소결체 조직의 TEM 관찰의 결과, 소결체를 구성하는 결정의 평균 입경은 15 ㎚였다. 또한, 소결체의 상대 밀도는 93 %였다. As the thermoelectric material, FeSi 2 was selected as a raw material and easy to obtain, and the effect of the present invention was verified. Commercially available FeSi 2 powder (particle diameter of 10 to 20 μm) was sealed with iron balls in an iron pot, and the resultant was placed in an inert gas atmosphere by Ar substitution, followed by grinding by a planetary ball mill for 10 hours. The secondary particle diameter of the FeSi 2 powder after grinding | pulverization confirmed that it was 0.5-2 micrometers by SEM observation. The size of the crystallites was determined from the integral width of the XRD measurement of the FeSi 2 powder (Hall's method) and found to be 5 to 10 nm (average particle diameter of the crystallites 8 nm). Furthermore, this FeSi 2 powder was filled and sealed with a capsule made of Ni in an Ar glove box, and sintered at 700 ° C. for 30 minutes under a pressure of 3 Pa. The XRD measurement after sintering confirmed that the sintered compact was a FeSi 2 single phase. As a result of TEM observation of the sintered compact structure, the average particle diameter of the crystal | crystallization which comprises a sintered compact was 15 nm. In addition, the relative density of the sintered compact was 93%.

이 소결체로부터 직경 10 ㎜, 두께 1 ㎜의 원반 형상의 시료를 제작하고, 레이저 플래시법에 의해 열전도율의 측정을 행한 결과, 0.98 W/mK였다. From this sintered compact, the disk-shaped sample of diameter 10mm and thickness 1mm was produced, and the thermal conductivity was measured by the laser flash method, and it was 0.98 W / mK.

(제1 비교예) (First Comparative Example)

제1 비교예로서, 상기 분말을 그대로 이용하여 200 ㎫, 1150 ℃에서 1시간 소결하고, 계속해서 소결에 의해 변태된 고온상을 저온상으로 복귀시키므로, 800 ℃에서 10시간의 열처리를 행하였다. 이 소결체도 XRD 측정에 의해 FeSi2 단상인 것을 확인하였지만, 이 소결체로부터 작성한 상기와 동일한 원반 형상의 시료의 열전도율은 10 W/mK였다. As a 1st comparative example, since the said powder was used as it is, it sintered at 200 Mpa and 1150 degreeC for 1 hour, and since the high temperature phase transformed by sintering was returned to a low temperature phase, heat processing was performed at 800 degreeC for 10 hours. Although the sintered body is also confirmed to be the single-phase FeSi 2 by the XRD measurement, and the sample was the thermal conductivity of the same disk-shaped sintered body it is created from a 10 W / mK.

(제2 실시예)(2nd Example)

볼밀에 의한 분쇄 시간을 5시간으로 한 것 이외에는 제1 실시예와 동일한 공 정에서 소결체를 작성하고, 소결체를 구성하는 결정의 평균 입경과 열전도율을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다. 또, 표 1에 있어서 번호 4가 제2 실시예의 결과이고, 번호 5가 제1 실시예의 결과이다. 또한, 볼밀 분쇄 후의 결정자의 평균 입경은 35 ㎚였다. 표 1에 나타내는 결과에 의해 소결체 조직의 결정 입경이 0.05 ㎛ 이하에서 열전도율이 현저히 저하되는 것을 알 수 있었다. A sintered body was produced in the same process as in Example 1 except that the grinding time by the ball mill was 5 hours, and the average particle diameter and thermal conductivity of the crystals constituting the sintered body were measured. The results are shown in Table 1 below. In Table 1, number 4 is the result of the second embodiment, and number 5 is the result of the first embodiment. In addition, the average particle diameter of the crystallite after ball mill grinding was 35 nm. The results shown in Table 1 show that the thermal conductivity significantly decreased when the grain size of the sintered compact structure was 0.05 µm or less.

(제2 비교예)(2nd comparative example)

볼밀에 의한 분쇄 시간을 0시간, 1시간 및 2시간으로 한 것 이외에는 제1 실시예와 동일한 공정에서 소결체를 작성하고, 소결체를 구성하는 결정의 평균 입경과 열전도율을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다. 또, 표 1에 있어서, 볼밀에 의한 분쇄 시간을 0시간으로 한 것을 번호 1, 1시간으로 한 것을 번호 2, 2시간으로 한 것을 번호 3으로 하고 있다. 또한, 볼밀 분쇄 후의 결정자의 평균 입경은 각각 5 ㎛ 이상(번호 1), 0.9 ㎛(번호 2) 및 85 ㎚(번호 3)였다. Except having made grinding | pulverization time by the ball mill into 0 hour, 1 hour, and 2 hours, the sintered compact was created in the same process as Example 1, and the average particle diameter and thermal conductivity of the crystal | crystallization which comprise a sintered compact were measured. The results are shown in Table 1 below. In addition, in Table 1, the thing which set the grinding time by the ball mill to 0 hours as the number 1 and the 1 hour was made into the number 2 and the 2 hours was made into the number 3. In addition, the average particle diameter of the crystallite after ball mill grinding was 5 micrometers or more (number 1), 0.9 micrometer (number 2), and 85 nm (number 3), respectively.

제1 내지 제2 실시예와 제2 비교예의 결과Results of the first to second examples and the second comparative example 번호number 볼밀 시간 (hr)Ball mill time (hr) 소결체의 평균 입경 (㎛)Average particle diameter of sintered body (㎛) 열전도율 (W/mK)Thermal Conductivity (W / mK) 1One 00 2020 1010 22 1One 1One 6.46.4 33 22 0.10.1 3.93.9 44 55 0.050.05 2.02.0 55 1010 0.0150.015 0.980.98

(제3 실시예) (Third Embodiment)

제1 실시예(표 1의 번호 5)의 소결체로부터 1 ㎜ × 1 ㎜ × 15 ㎜의 크기의 시료를 잘라내고, 4단자법에 의한 비저항의 측정을 행하였다. 또한, 소결체의 입계 부분의 EDS 분석을 행하고, 구성 원소의 동정(同定)을 행하였다. 게다가, 번호 5와 동일한 조건으로 Ar 치환을 행하지 않은 공기 중에서 볼밀을 행한 것(번호 6), 소결 전의 Ni 캡슐에의 충전을 대기중에서 행한 것(번호 7)의 2종류의 소결체를 제작하였다. 이들에 대해 상기와 마찬가지로 비저항 측정 및 EDS 분석을 실시하였다. 이 결과를 표 2에 나타낸다. The sample of the magnitude | size of 1 mm x 1 mm x 15 mm was cut out from the sintered compact of 1st Example (No. 5 of Table 1), and the specific resistance by the 4-terminal method was measured. Moreover, the EDS analysis of the grain boundary part of the sintered compact was performed, and the constituent element was identified. In addition, two kinds of sintered bodies were prepared: ball milling in air without ar substitution under the same condition as No. 5 (No. 6) and filling of the Ni capsule before sintering in the air (No. 7). As described above, specific resistance measurement and EDS analysis were performed. The results are shown in Table 2.

이 결과로부터, 입계의 불순물(이 경우에는 산화물)이 비저항에 큰 영향을 주고, 미세 결정 조직이라도 불순물의 저감에 의해 비저항을 저감시킬 수 있는 것을 알았다. From this result, it turned out that the grain boundary impurity (an oxide in this case) has a big influence on a specific resistance, and even a fine crystal structure can reduce specific resistance by reducing an impurity.

제3 실시예의 결과Results of the third example 번호number 볼밀 시간 (hr)Ball mill time (hr) 비저항 (Ωm)Resistivity (Ωm) EDS에 의한 0피크 강도※0 Peak Strength by EDS ※ 55 1010 9 × 10-4 9 × 10 -4 0.150.15 66 1010 5 × 10-3 5 × 10 -3 0.300.30 77 1010 1.5 × 10-3 1.5 × 10 -3 0.250.25

※표 피크인 Si의 Kα를 1로 하였을 때의 상대 강도.* Relative intensity when K α of Si which is the table peak is set to 1.

(제4 실시예) (Example 4)

Fe 분말과 Si 분말을 혼합 및 용융시키고, 진공속에서 가스 아토마이즈법을 이용하여 미세 분말을 제작하였다. 아토마이즈에는 냉각 능력이 높은 He 가스를 사용하고, 가스압 100 kgf/㎠로 하였다. 이 분말을 SEM을 이용하여 관찰하면 입경이 5 내지 20 ㎛였다. 또한, XRD 측정에 의해 결정자의 크기는 2 내지 10 ㎚(평균 입경 7 ㎚)로 구하게 되었다.Fe powder and Si powder were mixed and melted, and the fine powder was produced using the gas atomization method in vacuum. He atom with high cooling capacity was used for atomization, and gas pressure was set to 100 kgf / cm <2>. When this powder was observed using SEM, the particle diameter was 5-20 micrometers. In addition, the size of crystallites was determined to be 2 to 10 nm (average particle diameter of 7 nm) by XRD measurement.

이 분말을 제1 실시예와 마찬가지로 하여 충전 및 소결하였다. 얻게 된 소결체를 TEM 관찰한 결과, 이 소결체의 결정 입경은 5 내지 20 ㎚(평균 입경 15 ㎚)였다. 또한, 이 소결체의 열전도율을 제1 실시예와 마찬가지로 하여 측정한 결과, 0.94 W/mK였다. 이에 의해 가스 아토마이즈법도 미세 결정 조직을 갖는 소결체를 제조하는 데 적합한 방법인 것을 알 수 있다. This powder was filled and sintered in the same manner as in the first embodiment. TEM observation of the obtained sintered compact showed that the crystal grain diameter of this sintered compact was 5-20 nm (average particle diameter 15 nm). Moreover, it was 0.94 W / mK when the heat conductivity of this sintered compact was measured similarly to Example 1, and was measured. It can be seen from this that the gas atomization method is also a suitable method for producing a sintered body having a microcrystalline structure.

(제3 비교예)(Third comparative example)

0.2 ㎬, 700 ℃에서 30분간의 소결을 행한 것 이외에는 제1 실시예와 마찬가지로 하여 소결체를 제조한 결과, 무르고 상대 밀도가 70 %로 낮은 소결체밖에 얻을 수 없었다. 그래서, 소결 온도를 1000 ℃로 한 결과 상대 밀도가 90 %가 되어 어느 정도의 강도를 갖는 소결체를 얻을 수 있었지만, 소결체의 결정 입경은 0.1 내지 2 ㎛가 되어 미세 결정 조직을 얻을 수 없었다. 상기 소결체의 열전도율을 측정한 결과 5.9 W/mK이며, 비저항은 8 × 10-4 Ωm였다. 따라서, 본 발명의 소결 조건의 범위 외에서는 본 발명의 원하는 미세 결정 조직을 갖는 열전 재료는 얻을 수 없었다.A sintered body was produced in the same manner as in the first example except that the sintering was carried out at 0.2 kPa and 700 ° C. for 30 minutes. Thus, when the sintering temperature was set at 1000 ° C., the relative density became 90% and a sintered compact having a certain degree of strength could be obtained. As a result of measuring the thermal conductivity of the sintered compact, it was 5.9 W / mK, and the specific resistance was 8x10 <-4> ohm. Therefore, outside the range of the sintering conditions of the present invention, a thermoelectric material having the desired microcrystalline structure of the present invention could not be obtained.

(제5 실시예) (Example 5)

제1 실시예 및 제2 실시예에서 얻게 된 소결체를 670 K[융점(T2)의 45 %], 800 K[융점(T2)의 54 %], 960 K[융점(T2)의 65 %]의 온도에서 1시간, Ar 분위기 속에서 어닐하였다. 그 결과, 670 K, 800 K에서 어닐한 소결체는, 열전도율은 변하지 않은 상태에서 전기 전도율이 각각 1.3배, 1.5배로 향상하였다. 전자 현미경 관찰의 결과, 소결체의 결정 입경은 어닐 전후에서 변화하지 않는 것을 확인하였다. 960 K에서 어닐한 소결체는 각각 전기 전도율이 2배, 열전도율이 1.5배로 증대하였다. The sintered bodies obtained in Examples 1 and 2 were made of 670 K (45% of melting point T2), 800 K (54% of melting point T2), 960 K (65% of melting point T2). It annealed in Ar atmosphere for 1 hour at temperature. As a result, the sintered compacts annealed at 670 K and 800 K improved the electrical conductivity by 1.3 times and 1.5 times, respectively, while the thermal conductivity remained unchanged. As a result of the electron microscope observation, it was confirmed that the crystal grain size of the sintered compact did not change before and after annealing. The sintered body annealed at 960 K increased the electrical conductivity by 2 times and the thermal conductivity by 1.5 times, respectively.

제1 실시예 및 제2 실시예에서 얻게 된 소결체를 Ar 분위기 중 600 K[융점(T2)의 41 %] 및 1030 K[융점(T2)의 70 %]에서 1시간의 어닐을 행하였다. 600 K 에서 어닐한 소결체는 열전도율, 전기 전도율 모두 변화가 없고, 전자 현미경 관찰에서도 조직에 변화가 확인되지 않았다. 한편, 1030 K에서 어닐한 소결체는 모두 전기 전도율은 2배가 되었지만, 열전도율이 약 6 W/mK로 어닐전에 비해 3배(제2 실시예에 대해) 내지 6배(제1 실시예에 대해)로 증대하고, 그 결과 성능 지수는 저하되었다. The sintered compact obtained by the 1st Example and the 2nd Example was annealed for 1 hour at 600K (41% of melting | fusing point T2) and 1030K (70% of melting | fusing point T2) in Ar atmosphere. The sintered body annealed at 600 K had no change in both thermal conductivity and electrical conductivity, and no change was observed in the structure even under an electron microscope observation. On the other hand, all of the sintered bodies annealed at 1030 K have doubled their electrical conductivity, but the thermal conductivity is about 6 W / mK, which is 3 times (for the second embodiment) to 6 times (for the first embodiment) compared to the annealing. As a result, the figure of merit decreased.

(제6 실시예) (Example 6)

FeSi2 이외의 열전 재료에 관해서도, 제1 실시예 내지 제4 실시예와 같은 검토를 행하였다. 그 결과를 하기 표 3에 기록한다(번호 8 내지 번호 19). 또, 제벡 계수에 대해서는 입경에 의한 의존성이 거의 없었으므로, 표 3에는 기재하고 있지 않다. 본 발명의 소결 조건에 의해, 본 발명의 원하는 미세 결정 조직을 갖는 열전 재료를 얻을 수 있는 것을 알게 되었다. 또한, 결정의 평균 입경 50 ㎚ 이하이며, 상대 밀도가 85 % 이상인 본 발명의 열전 재료는 상대적인 비저항과 실온(25 ℃) 열전도율의 값이 모두 낮아지는 경향이 있는 것도 알게 되었다. The thermoelectric materials other than FeSi 2 were also examined in the same manner as in the first to fourth embodiments. The results are reported in Table 3 below (number 8 to number 19). In addition, the Seebeck coefficient had little dependence on the particle size, and therefore is not described in Table 3. It was found that the thermoelectric material having the desired microcrystalline structure of the present invention can be obtained by the sintering conditions of the present invention. In addition, it was found that the thermoelectric material of the present invention having an average particle diameter of 50 nm or less and a relative density of 85% or more tends to lower both the relative resistivity and the values of room temperature (25 ° C) thermal conductivity.

제6 실시예의 검토 결과Examination result of Example 6 번호number 재료계Material system 볼밀 시간 (hr)Ball mill time (hr) 소결 온도 (℃)Sintering Temperature (℃) 소결 압력 (㎬)Sintering pressure 소결체의 평균 입경 (㎛)Average particle diameter of sintered body (㎛) 상대 밀도 (%)Relative Density (%) EDS 불순물 산소 피크 강도비EDS Impurity Oxygen Peak Intensity Ratio 상대적인 비저항(HP시와의 비교 : 배)Relative resistivity (compared with HP: times) 실온 열전도율 (W/mK)Room temperature thermal conductivity (W / mK) 88 ZnOZnO 44 900900 1One 0.050.05 8989 -- 1.001.00 1010 99 ZnOZnO 44 900900 33 0.0350.035 9393 -- 0.980.98 88 1010 ZnOZnO 44 820820 55 0.0230.023 9696 -- 1.031.03 4.84.8 1111 CoSb3 CoSb 3 1010 600600 1One 0.0500.050 8585 0.030.03 0.980.98 44 1212 CoSb3 CoSb 3 1010 600600 33 0.0300.030 9090 0.030.03 0.950.95 3.53.5 1313 CoSb3 CoSb 3 1010 500500 1010 0.0250.025 9898 0.040.04 0.870.87 3.13.1 1414 Zn4Sb3 Zn 4 Sb 3 88 250250 22 0.0100.010 100100 0.010.01 1.001.00 0.360.36 1515 Zn4Sb3 Zn 4 Sb 3 88 250250 55 0.0100.010 100100 0.010.01 1.021.02 0.350.35 1616 Mg2SiMg 2 Si 44 400400 33 0.0200.020 100100 0.080.08 0.950.95 1.41.4 1717 MnSi1.75 MnSi 1.75 44 400400 33 0.0200.020 100100 0.050.05 0.970.97 1.61.6 1818 ZrNiSnZrNiSn 1010 700700 55 0.0270.027 100100 0.030.03 0.980.98 4.74.7 1919 ZrNiSnZrNiSn 1010 700700 1010 0.0100.010 100100 0.030.03 1.051.05 3.83.8

(제4 비교예) (4th comparative example)

FeSi2 이외의 열전 재료에 관하여, 제6 실시예와 다른 하기 표 4에 나타내는 제조 조건으로 소결체를 제조하고, 제1 실시예 내지 제4 실시예와 같은 검토를 행하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다(번호 20 내지 번호 37). 표 4에 나타낸 바와 같이, 제6 실시예와 다른 조건으로 제조한 제4 비교예에 있어서는, 결정의 평균 입경 50 ㎚ 이하이며 상대 밀도가 85 % 이상이 되는 소결체를 1개도 얻을 수 없었다. 또한, 제4 비교예의 소결체(번호 20 내지 번호 37)는 제6 실시예의 소결체(번호 8 내지 번호 19)에 비해 비저항과 실온 열전도율이 모두 우수한 것이 감소하는 경향이 있었다. To the other of the sixth embodiment with respect to the thermoelectric material of the non-FeSi 2, the sintered body prepared by the manufacturing conditions shown in Table 4, and were subjected to the examination such as the first to fourth embodiments. The results are shown in Table 4 (No. 20 to No. 37). As shown in Table 4, in the fourth comparative example manufactured under conditions different from the sixth example, no single sintered body having an average particle diameter of 50 nm or less and a relative density of 85% or more was obtained. In addition, the sintered compacts (Nos. 20 to 37) of the fourth comparative example tended to decrease in that both the specific resistance and the room temperature thermal conductivity were superior to those of the sintered compacts (numbers 8 to 19) of the sixth example.

제4 비교예의 검사 결과Test result of the fourth comparative example 번호number 재료계Material system 볼밀 시간 (hr)Ball mill time (hr) 소결 온도 (℃)Sintering Temperature (℃) 소결 압력 (㎬)Sintering pressure 소결체의 평균 입경 (㎛)Average particle diameter of sintered body (㎛) 상대 밀도 (%) Relative Density (%) EDS 불순물 산소 피크 강도비EDS Impurity Oxygen Peak Intensity Ratio 상대적인 비저항(HP시와의 비교 : 배)Relative resistivity (compared with HP: times) 실온 열전도율 (W/mK)Room temperature thermal conductivity (W / mK) 2020 ZnOZnO 44 14001400 0.10.1 55 8282 -- 1.001.00 4242 2121 ZnOZnO 44 13001300 0.80.8 1.51.5 8484 -- 1.001.00 3030 2222 ZnOZnO 44 750750 0.50.5 -- 미소결Smile -- -- -- 2323 ZnOZnO 44 850850 0.50.5 0.020.02 7373 -- 32.0032.00 1818 2424 ZnOZnO 44 850850 0.10.1 0.040.04 6666 -- 126.00126.00 77 2525 ZnOZnO 44 10501050 0.50.5 0.070.07 8080 -- 15.0015.00 2020 2626 ZnOZnO 44 11001100 0.80.8 0.090.09 8686 -- 5.705.70 2525 2727 CoSb3 CoSb 3 1010 800800 대기압Atmospheric pressure -- 미소결Smile 0.030.03 -- -- 2828 CoSb3 CoSb 3 1010 800800 0.10.1 1.41.4 9090 0.030.03 1.001.00 7.57.5 2929 CoSb3 CoSb 3 1010 800800 0.30.3 1.21.2 9292 0.040.04 0.910.91 77 3030 CoSb3 CoSb 3 1010 650650 0.90.9 0.0750.075 8585 0.040.04 3.203.20 77 3131 CoSb3 CoSb 3 1010 600600 0.90.9 0.0450.045 7777 0.030.03 10.3010.30 4.54.5 3232 CoSb3 CoSb 3 1010 600600 0.80.8 0.050.05 7878 0.040.04 14.5014.50 5.55.5 3333 Zn4Sb3 Zn 4 Sb 3 88 500500 0.10.1 1One 9797 <0.01<0.01 1.001.00 0.70.7 3434 Mg2SiMg 2 Si 44 600600 0.10.1 1One 9898 0.080.08 1.001.00 2.32.3 3535 MnSi1.75 MnSi 1.75 44 600600 0.10.1 1One 9797 0.050.05 1.001.00 3.23.2 3636 ZrNiSnZrNiSn 1010 850850 0.10.1 1.21.2 9797 0.030.03 1.001.00 1010 3737 ZrNiSnZrNiSn 1010 850850 0.50.5 0.90.9 9898 0.030.03 1.021.02 99

또, 표 3 및 표 4에 있어서, 재료계는 열전 재료를 구성하는 재료의 조성을 나타내고, 표 3 및 표 4의 ZnO(번호 8 내지 번호 10, 번호 20 내지 번호 26)는 Zn에 Al이 2원자 % 도프된 것이 이용되고 있다. In Tables 3 and 4, the material system indicates the composition of the material constituting the thermoelectric material, and ZnO (No. 8 to No. 10 and No. 20 to No. 26) in Tables 3 and 4 represents Al in Zn. Doped% is used.

또한, EDS 불순물 산소 피크 강도비는 EDS 분석에 의해 검출 강도가 최대인 것에 대한 비를 나타낸다. 또한, 재료계가 ZnO(번호 8 내지 번호 10, 번호 20 내지 번호 26)인 경우에는 산소는 불순물이 아니므로 EDS에 의한 불순물 산소 피크 강도비는「-」로 되어 있다. In addition, EDS impurity oxygen peak intensity ratio shows the ratio with which detection intensity is the largest by EDS analysis. In the case where the material system is ZnO (number 8 to number 10, number 20 to number 26), since oxygen is not an impurity, the impurity oxygen peak intensity ratio by EDS is "-".

또한, 상대적인 비저항의 값은 0.1 ㎬인 압력 하에서 핫 프레스(HP) 소결을 한 경우의 값에 대한 비율로 나타내고 있다. 상대적인 비저항의 값이 1.0 이하인 경우에는 비저항이 내려가 있는 것을 나타내고 있다. In addition, the value of relative resistivity is shown by the ratio with respect to the value at the time of hot press (HP) sintering under pressure of 0.1 kPa. When the value of relative resistivity is 1.0 or less, it shows that the resistivity falls.

상기한 바와 같이, 본 발명의 열전 재료 및 본 발명의 열전 재료의 제조 방법은 비저항의 증가를 최소로 하여 열전도율의 감소를 달성할 수 있고, 열전 성능을 향상시키는 것이 가능하다. As described above, the thermoelectric material of the present invention and the method of manufacturing the thermoelectric material of the present invention can achieve a decrease in thermal conductivity by minimizing the increase in specific resistance, and improve the thermoelectric performance.

또한, 본 발명은 실시예에서 채택한 재료 이외에도 응용하는 것이 가능하고, 기존 열전 재료의 성능 향상에 기여할 수 있다.In addition, the present invention can be applied in addition to the material adopted in the embodiment, and can contribute to the improvement of the performance of existing thermoelectric materials.

Claims (7)

결정의 평균 입경이 50 ㎚ 이하인 열전 재료이며, 상기 열전 재료의 상대 밀도가 85 % 이상인 것을 특징으로 하는 열전 재료. The thermoelectric material whose average particle diameter of a crystal | crystallization is 50 nm or less, and the relative density of the said thermoelectric material is 85% or more, The thermoelectric material characterized by the above-mentioned. 제1항에 있어서, 상기 열전 재료의 입계 부분의 EDS 분석에 있어서, 불순물 원소의 검출 강도가 상기 열전 재료의 구성 원소 중 검출 강도가 최대인 것의 강도의 1/5 이하인 것을 특징으로 하는 열전 재료. The thermoelectric material according to claim 1, wherein in the EDS analysis of the grain boundary portion of the thermoelectric material, the detection intensity of the impurity element is 1/5 or less of the strength of the maximum detection intensity among the constituent elements of the thermoelectric material. 제1항에 있어서, 비저항이 1 × 10-3 Ωm 이하인 것을 특징으로 하는 열전 재료. The thermoelectric material according to claim 1, wherein the specific resistance is 1 × 10 −3 Ωm or less. 제1항에 있어서, 열전도율이 5 W/mK 이하인 것을 특징으로 하는 열전 재료. The thermoelectric material according to claim 1, wherein the thermal conductivity is 5 W / mK or less. 제1항에 있어서, 열전도율이 1 W/mK 이하인 것을 특징으로 하는 열전 재료. The thermoelectric material according to claim 1, wherein the thermal conductivity is 1 W / mK or less. 미세 분말을 제작하는 공정과, 상기 미세 분말을 1.0 ㎬ 이상 10 ㎬ 이하의 압력 하에서 소결 혹은 고화시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 재료의 제조 방법. And a step of producing a fine powder, and a step of sintering or solidifying the fine powder under a pressure of 1.0 Pa or more and 10 Pa or less. 제6항에 있어서, 상기 소결 후 혹은 상기 고화 후의 다결정체를 어닐링하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 재료의 제조 방법. The method of manufacturing a thermoelectric material according to claim 6, further comprising annealing the polycrystal after the sintering or after the solidification.
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