KR101319157B1 - High density wire arrays in a glassy matrix - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유리관 (14)가 하나의 개방 말단 및 하나의 폐쇄 말단을 갖도록 유리관 (14)의 하나의 말단을 밀봉하고, 유리관 (14) 내부에 열전 활성 물질 (22)를 도입하고, 유리관의 개방 말단을 진공 펌프에 부착함으로써 유리관 (14)를 배기하고, 유리가 진공 하에서 부분 용융되어 붕괴하도록 유리관 (14)의 일부를 가열함으로써 부분 용융된 유리관 (14)가 제 1 인출 작업에서 사용될 열전 물질 (22)를 함유하는 앰플 (54)를 제공하고, 열전 물질 (22)를 함유하는 앰플 (54)를 가열 장치 (10)에 도입하고, 유리관 (14)가 그것이 인출되기에 충분할 정도로만 용융되도록 가열 장치 (10) 내의 온도를 증가시키고, 유리 피복 열전 활성 물질 (22)의 섬유 (24)를 인출하는 것을 포함하는 유리 피복재 중의 열전 활성 물질 (22)를 인출하는 방법을 제공한다.The present invention seals one end of the glass tube 14 such that the glass tube 14 has one open end and one closed end, introduces the thermoelectric active material 22 into the glass tube 14, and opens the glass tube. The thermoelectric material to be used in the first drawing operation by evacuating the glass tube 14 by attaching the end to the vacuum pump and heating the part of the glass tube 14 so that the glass partially melts and collapses under vacuum. Providing an ampoule 54 containing 22, introducing an ampoule 54 containing a thermoelectric material 22 into the heating device 10, and heating the glass tube 14 such that the glass tube 14 is melted just enough to be drawn out thereof. There is provided a method of withdrawing a thermoelectric active material 22 in a glass coating comprising increasing the temperature in (10) and withdrawing the fibers 24 of the glass coated thermoelectric active material.

열전 활성 물질, 유리 피복재, 고밀도 나노와이어 Thermoelectric active materials, glass cladding, high density nanowires

Description

유리 기질 중의 고밀도 와이어 어레이 {HIGH DENSITY WIRE ARRAYS IN A GLASSY MATRIX}High Density Wire Array in Glass Substrate {HIGH DENSITY WIRE ARRAYS IN A GLASSY MATRIX}

본 발명은 유리 기질 중의 고밀도 나노와이어 어레이, 및 그를 인출하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to arrays of high density nanowires in glass substrates, and methods of drawing them.

열전 물질은 열 구배가 있을 때 전기를 발생하고, 전류가 그를 통해 통과할 때 열 구배를 생성한다. 실용 열전기는 그 중에서도 특히 (1) 냉장고 또는 에어컨과 같은 현존 냉각 시스템에 사용되는 플루오로카본을 대체할 수 있고, (2) 폐열의 일부 또는 대부분을 전기로 전환함으로써 화력 발전 동안의 유해 배출물을 감소시킬 수 있기 때문에 과학자들은 수십 년간 실용 열전기를 이용하려고 애써 왔다. 그러나, 실용 열전기의 전망은 아직 실현되지 못하였다. 한 가지 문제는 그의 낮은 효율 때문에 열전 기술의 산업 표준이 일상적인 가열 및 냉각 제품 및 시스템에 기능적으로 통합될 수 없다는 것이다.Thermoelectric materials generate electricity when there is a thermal gradient and produce a thermal gradient when an electric current passes through it. Practical thermoelectrics can, inter alia, replace (1) the fluorocarbons used in existing cooling systems such as refrigerators or air conditioners, and (2) convert some or most of the waste heat into electricity to reduce harmful emissions during thermal power generation. Scientists have been trying to use utility thermoelectrics for decades. However, the prospect of utility thermoelectrics has not been realized yet. One problem is that, due to its low efficiency, industry standards of thermoelectric technology cannot be functionally integrated into everyday heating and cooling products and systems.

열을 전기로 직접 전환하거나 또는 전기를 열로 직접 전환하는 데는 열전 발전기(TEG), 열전 냉장고(TER) 및 열전 열펌프와 같은 벌크형 열전 장치가 이용된다. 그러나, 이들 벌크형 열전 장치의 에너지 전환 효율 및/또는 성능 계수는 통상의 왕복 또는 회전 열기관 및 증기 압축 시스템보다 상당히 낮다. 이러한 단점 및 기술의 일반적인 미완성 때문에, 벌크형 열전 장치는 굉장한 인기를 얻지 못하였다.Bulk thermoelectric devices such as thermoelectric generators (TEGs), thermoelectric refrigerators (TER) and thermoelectric heat pumps are used to convert heat directly into electricity or directly into electricity. However, the energy conversion efficiency and / or coefficient of performance of these bulk thermoelectric devices is significantly lower than conventional reciprocating or rotary heat engines and vapor compression systems. Because of these shortcomings and the general incompleteness of the technology, bulk thermoelectric devices have not gained enormous popularity.

초기의 열전 접점부는 열 구배가 있을 때 소전류를 생성할 수 있는 상이한 두 금속 또는 합금으로부터 형성되었다. 열이 접점부를 가로질러서 운반될 때 차동 전압이 생성되고, 이렇게 함으로써 열의 일부를 전기로 전환한다. 수 개의 접점부는 직렬로 연결하여 더 큰 전압을 제공할 수 있거나, 병렬로 연결하여 증가된 전류를 제공할 수 있거나, 또는 둘 모두를 행할 수 있다. 현대의 열전 발전기는 많은 접점부를 직렬로 포함할 수 있고, 따라서 더 높은 전압을 제공한다. 이러한 열전 발전기는 발전 전류의 양을 증가시키는 병렬 연결성을 제공하기 위해 모듈 형태로 제조될 수 있다. Early thermoelectric contacts were formed from two different metals or alloys that could produce small currents when there was a thermal gradient. Differential voltages are generated when heat is transported across the contacts, thereby converting some of the heat to electricity. Several contacts may be connected in series to provide greater voltages, or connected in parallel to provide increased current, or both. Modern thermoelectric generators can include many contacts in series, thus providing higher voltages. Such thermoelectric generators can be manufactured in modular form to provide parallel connectivity that increases the amount of generated current.

1821년, 토마스 요한 제베크(Thomas Johann Seebeck)는 제베크 효과라고 불리는 최초의 열전 효과를 발견하였다. 제베크는 두 접점부 중 하나가 다른 하나보다 더 높은 온도로 유지될 때 나침반을 상이한 두 물질로 만들어진 폐쇄 루프 근처에 놓을 때 나침반 바늘이 편향된다는 것을 발견하였다. 이것은 두 접점부 사이에 온도 차가 있을 때 전압 차가 발생하고, 전압 차는 관련 금속의 성질에 의존한다는 것을 확립하였다. 열 구배 1 ℃ 당 발생하는 전압(또는 EMF)이 제베크 계수로 알려져 있다. In 1821, Thomas Johann Seebeck discovered the first thermoelectric effect called the Seebeck effect. Seebeck found that the compass needle deflects when the compass is placed near a closed loop made of two different materials when one of the two contacts is maintained at a higher temperature than the other. This established that a voltage difference occurs when there is a temperature difference between the two contacts, and the voltage difference depends on the properties of the metal involved. The voltage (or EMF) generated per 1 ° C. of the thermal gradient is known as the Seebeck coefficient.

1833년, 펠티에(Peltier)는 펠티에 효과라고 알려진 두 번째의 열전 효과를 발견하였다. 펠티에는 접점부를 통해 전류를 흐르게 할 때는 언제나 상이한 금속의 접점부에서 온도 변화가 일어난다는 것을 발견하였다. 전류 흐름 방향에 의존 해서 접점부에서 열이 흡수되거나 또는 방출된다.In 1833, Peltier discovered a second thermoelectric effect known as the Peltier Effect. Peltier found that temperature changes occur at different metal contacts whenever current flows through them. Depending on the direction of current flow, heat is absorbed or released at the contacts.

후에 켈빈경으로 알려진 윌리엄 톰슨(William Thomson)은 온도 구배가 있는 단일의 균질한 전류 운반 도체의 가열 또는 냉각과 관련 있는 톰슨 효과라고 불리는 세 번째의 열전 효과를 발견하였다. 켈빈경은 또한 제베크 계수, 펠티에 계수 및 톰슨 계수를 상관 짓는 4 개의 방정식(켈빈 관계식)을 확립하였다. 1911년, 알텐키르(Altenkirch)는 열을 전기로 직접 전환하거나 또는 그 역으로 전환하는 데 열전기 원리를 이용할 것을 제안하였다. 그는 전력 발전 및 냉각에 대한 열전기 이론을 창시하였고, 여기서는 가장 좋은 성능을 위해서는 제베크 계수(열전력)가 가능한 한 높을 것을 요구하였다. 이 이론은 또한 최소의 열 전도도와 함께 전기 전도도가 가능한 한 높을 것을 요구하였다.William Thomson, later known as Sir Kelvin, discovered a third thermoelectric effect called the Thomson effect, which is related to the heating or cooling of a single homogeneous current-carrying conductor with a temperature gradient. Sir Kelvin also established four equations (Kelvin relations) that correlate Seebeck coefficients, Peltier coefficients, and Thompson's coefficients. In 1911, Altenkirch proposed using the thermoelectric principle to convert heat directly into electricity and vice versa. He invented the thermoelectric theory of power generation and cooling, which required the Seebeck coefficient (thermal power) to be as high as possible for best performance. This theory also required that the electrical conductivity be as high as possible with the minimum thermal conductivity.

알텐키르는 한 물질의 열전력 전환 효율을 결정하는 척도를 확립하였고, 그는 이것을 역률(PF)이라 불렀다. 후자는 방정식 PF = S2*σ= S2/ρ(여기서, S는 제베크 계수 또는 열전력이고, σ는 전기 전도도이고, ρ(1/σ)는 전기 비저항임)로 나타내어진다. 따라서, 알텐키르는 다음 방정식을 확립하게 되었다: Z = S2*σ/κ= S2/ρ*κ= PF/κ (여기서, Z는 K-1의 차원을 갖는 열전 성능지수임). 이 방정식은 그것에 절대 온도 T를 곱함으로써 무차원이 되게 할 수 있고, 여기서 S, ρ 및 κ의 측정은 무차원 열전 성능지수 또는 ZT 계수가 (S2*σ/κ)T와 같도록 수행한다. 열전 장치의 성능을 개선하기 위해서는 역률은 가능한 한 많이 증가하여야 하고, 반면 κ(열 전도도)는 가능한 한 많이 감소하여야 한다는 결론이 나온다.Altenkire established a measure for determining the thermal power conversion efficiency of a material, which he called power factor (PF). The latter is represented by the equation PF = S 2 * σ = S 2 / ρ, where S is Seebeck coefficient or thermal power, σ is electrical conductivity, and ρ (1 / σ) is the electrical resistivity. Thus, Altenkire established the following equation: Z = S 2 * σ / κ = S 2 / ρ * κ = PF / κ, where Z is a thermoelectric figure of merit with a dimension of K −1 . This equation can be rendered dimensionless by multiplying it by the absolute temperature T, where measurements of S, ρ and κ are performed such that the dimensionless thermoelectric figure of merit or ZT coefficient is equal to (S 2 * σ / κ) T . In order to improve the performance of thermoelectric devices, it is concluded that the power factor should be increased as much as possible, while κ (thermal conductivity) should be reduced as much as possible.

한 물질의 ZT 계수는 그의 열전력 전환 효율을 가리킨다. 40 년 전, 그 당시 존재하는 가장 좋은 ZT 계수는 약 0.6이었다. 40년간의 연구 후, 상업적으로 입수가능한 시스템은 1에 가까스로 근접하는 ZT 값으로 여전히 제한되어 있다. 1보다 큰 ZT 계수가 열전 발전이 현존하는 발전 기술, 전통적인 가정용 냉장고, 에어컨, 및 기타 등등을 대체하기 시작하는 문을 열게 될 것이라는 점이 널리 인식되어 있다. 사실상, ZT 계수가 심지어 2.0 이상인 실용 열전 기술이 차세대 가열 냉각 시스템을 제조하게 될 가능성이 클 것이다. 상기 내용에 비추어 볼 때, 약 2.0 이상의 증가된 ZT 계수를 달성하는 실용 열전 기술을 생성하는 방법이 필요하다.The ZT coefficient of a material indicates its thermoelectric power conversion efficiency. Forty years ago, the best ZT coefficient that existed at that time was about 0.6. After 40 years of research, commercially available systems are still limited to ZT values close to one. It is widely recognized that ZT coefficients greater than 1 will open the door where thermoelectric power begins to replace existing power generation technologies, traditional household refrigerators, air conditioners, and the like. In fact, it is likely that practical thermoelectric technologies with ZT coefficients of even 2.0 or higher will produce the next generation of heating and cooling systems. In light of the above, there is a need for a method of creating a practical thermoelectric technique that achieves an increased ZT coefficient of about 2.0 or greater.

최근, 나노 구조의 고체 상태 열전 냉각기 및 열전 발전기가 상응하는 벌크형 열전 장치보다 향상된 열전 성능을 나타낼 수 있다는 것이 밝혀졌다. 일부 열전 활성 물질(예를 들어, PbTe, Bi2Te3 및 SiGe)의 크기가 나노미터 규모(전형적으로, 약 4 - 100 nm)로 감소될 때, ZT 계수가 극적으로 증가한다는 것이 입증되었다. 이와 같은 ZT 증가는 실용 열전 발전기 및 냉각기[냉장고] 개발에 양자 구속(quantum confinement)을 이용할 수 있으리라는 기대를 불러 일으켰다. 다양한 전도유망한 접근법, 예를 들어 나노와이어 및 양자점에서의 수송 및 구속, 초격자 평면에 대해 수직인 방향에서의 열 전도도 감소, 및 삼원 또는 사원 칼코겐화물 및 스쿠테루다이트의 최적화가 최근 연구되었다. 그러나, 이들 접근법은 너무 많은 비용이 들고, 그 물질들 중 많은 물질이 상당한 양으로 제조될 수 없다.Recently, it has been found that nanostructured solid state thermoelectric coolers and thermoelectric generators can exhibit improved thermoelectric performance over corresponding bulk thermoelectric devices. It has been demonstrated that the ZT coefficient increases dramatically when the size of some thermoelectrically active materials (eg, PbTe, Bi 2 Te 3 and SiGe) is reduced to the nanometer scale (typically about 4-100 nm). This increase in ZT prompted the expectation that quantum confinement could be used to develop utility thermoelectric generators and coolers [refrigerators]. Various promising approaches have been recently studied, such as transport and confinement in nanowires and quantum dots, reduction in thermal conductivity in a direction perpendicular to the superlattice plane, and optimization of ternary or quaternary chalcogenides and squaterites. . However, these approaches are too expensive and many of them cannot be manufactured in significant amounts.

에너지를 상이한 형태로 효율적으로 전환하는 능력은 과학 및 공학에서 가장 잘 알아볼 수 있는 상징 중의 하나이다. 열에너지를 전력으로 전환하는 것은 에너지 경제성을 보증하는 증명서이고, 여기서는 효율 및 전환 방법의 근소한 개선조차도 금전적 절약, 에너지 비축 및 환경적 효과에 막대한 영향을 줄 수 있다. 마찬가지로, 전기기계 에너지 전환도 많은 현대식 기계에서 관심을 받고 있다. 전자 회로의 소형화에 대한 지속적인 탐구에 비추어 볼 때, 나노규모 장치가 에너지 전환에서 역할을 할 수 있고, 또한 다량의 열이 발생하는 마이크로전자 회로의 냉각 기술의 개발에서도 역할을 할 수 있다. 따라서, 1 차원 무기 나노구조 또는 나노와이어에 기반을 둔 넓은 범위의 고성능 에너지 전환 및 열전 장치가 필요하다.The ability to efficiently convert energy into different forms is one of the most recognizable symbols of science and engineering. The conversion of thermal energy into electricity is a proof of energy economy, where even minor improvements in efficiency and conversion methods can have a huge impact on monetary savings, energy reserves and environmental effects. Likewise, electromechanical energy conversion is of interest to many modern machines. In light of the continuing exploration of the miniaturization of electronic circuits, nanoscale devices can play a role in energy conversion, and can also play a role in the development of cooling technology for microelectronic circuits that generate large amounts of heat. Thus, there is a need for a wide range of high performance energy conversion and thermoelectric devices based on one-dimensional inorganic nanostructures or nanowires.

발명의 요약Summary of the Invention

본 발명은 길이보다 상당히 작은 직경을 갖는 실질적으로 1 차원인 열전 활성 물질의 섬유로부터 형성된 나노구조에 관한 것이다. 이러한 나노구조를 이루는 섬유는 약 200 nm 이하의 직경을 갖는다. 본원에 기술된 본 발명의 나노구조는 다수의 1 차원 섬유를 함유하는 "나노와이어", "케이블", "어레이", "헤테로구조" 또는 "복합체"라고 부른다. 케이블은 바람직하게는 하나 이상의 열전 활성 물질, 및 열전 활성 물질에 대해 전기 절연체로 작용하는 유리 물질을 포함하고, 열전 활성 물질은 본원에서는 "열전 물질"이라고도 부른다.The present invention relates to nanostructures formed from fibers of a substantially one-dimensional thermoelectric active material having a diameter significantly smaller than the length. Such nanostructured fibers have a diameter of about 200 nm or less. The nanostructures of the invention described herein are referred to as "nanowires", "cables", "arrays", "heterostructures" or "composites" containing a plurality of one-dimensional fibers. The cable preferably comprises at least one thermoelectric active material and a glass material which acts as an electrical insulator for the thermoelectric active material, which is also referred to herein as a "thermoelectric material."

본 발명의 다른 한 양상에 따르면, 열전 물질은 적당한 유리에 내장(embed)되어 케이블을 형성하는 높은 농도(예: 106- 1010/㎠)의 나노크기 와이어를 포함하고, 이 경우, 열전 물질은 다른 섬유들과 접촉하지 않고 케이블의 길이를 따라 긴 거리에 걸쳐 뻗는 다수의 1 차원 섬유를 포함하는 유리 피복 나노와이어 형태이다. 열전 활성 물질은 열전 물질의 인식할 수 있을 정도의 어떠한 스며듦 및/또는 확산도 일어나지 않고 열전 물질과 유리 물질 사이 계면의 완전성을 유지하는 적당한 금속, 합금 또는 반도체 물질을 포함할 수 있다.According to another aspect of the invention, the thermoelectric material comprises a high concentration of nanoscale wire (eg, 10 6-10 10 / cm 2) embedded in a suitable glass to form a cable, in which case the thermoelectric material Is in the form of glass-covered nanowires comprising a number of one-dimensional fibers that extend over a long distance along the length of the cable without contacting other fibers. The thermoelectric active material may include any suitable metal, alloy or semiconductor material that maintains the integrity of the interface between the thermoelectric material and the glass material without any appreciable soaking and / or diffusion of the thermoelectric material.

본 발명의 추가의 한 양상에 따르면, 케이블 제조 방법은 열전 섬유의 밀도를 109/㎠(케이블 횡단면) 초과로 증가시키는 것을 포함한다. 각 케이블은 어떤 일정 분포의 직경을 갖는 섬유의 어레이를 포함하고, 이 경우 섬유 직경의 변동성은 광섬유 산업에서 광섬유 인출에 흔히 이용되는 자동 인출 타워(tower)를 이용함으로써 감소시킬 수 있다.According to a further aspect of the present invention, a cable manufacturing method includes increasing the density of thermoelectric fibers above 10 9 / cm 2 (cable cross section). Each cable includes an array of fibers having a certain distribution of diameters, in which case the variation in fiber diameter can be reduced by using an automatic drawer tower, which is commonly used for fiber drawing in the fiber industry.

본 발명의 원리에 따라 제조된 바람직한 케이블은 바람직하게는 전기 절연 물질에 내장된 하나 이상의 열전 섬유를 포함하고, 상기 열전 물질은 양자 구속을 나타낸다. 바람직한 케이블은 모든 섬유의 말단 사이에서 전기적 연결성(electrical connectivity)이 있도록 다수의 섬유를 포함한다. 별법으로, 전기적 연결성이 케이블의 모든 섬유 사이에 있지 않고 일부 섬유 사이에 있다. 케이블의 유리 피복재는 바람직하게는 파이렉스, 보로실리케이트, 알루미노실리케이트, 석영, 또는 주성분으로 산화납, 이산화텔루륨 및 이산화규소를 갖는 유리와 같은 전기 절연 물질을 포함한다. 열전 물질이 전기적 연결성 및 양자 구속을 나타내도록 열전 물질은 금속, 반금속, 합금 및 반도체로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다. Preferred cables made in accordance with the principles of the present invention preferably comprise one or more thermoelectric fibers embedded in an electrically insulating material, said thermoelectric material exhibiting quantum confinement. Preferred cables include multiple fibers such that there is electrical connectivity between the ends of all the fibers. Alternatively, electrical connectivity is not between all fibers of the cable but between some fibers. The glass cladding of the cable preferably comprises an electrical insulating material such as pyrex, borosilicate, aluminosilicate, quartz or glass having lead oxide, tellurium dioxide and silicon dioxide as the main component. The thermoelectric material may be selected from the group consisting of metals, semimetals, alloys and semiconductors so that the thermoelectric material exhibits electrical connectivity and quantum confinement.

또, 본 발명은 유리관이 하나의 개방 말단 및 하나의 폐쇄 말단을 갖도록 유리관의 하나의 말단을 밀봉하고, 유리관 내부에 열전 활성 물질을 도입하고, 유리관의 개방 말단을 진공 펌프에 부착함으로써 유리관을 배기하고, 유리가 진공 하에서 부분 용융되어 붕괴하도록 유리관의 일부를 가열함으로써 부분 용융된 유리관이 제 1 인출 작업에서 사용될 열전 물질을 함유하는 앰플을 제공하고, 열전 물질을 함유하는 앰플을 가열 장치에 도입하고, 유리관이 그것이 인출되기에 충분할 정도로 용융되도록 가열 장치 내의 온도를 증가시키고, 유리 피복 열전 활성 물질의 섬유를 인출하는 것을 포함하는 유리 피복재 중의 열전 활성 물질을 인출하는 방법을 제공한다. 이 방법은 유리 피복 열전 활성 물질의 섬유를 함께 다발화하고, 한 번 이상 연속으로 재인출하여 유리 피복재에 의해 서로 절연된 다수의 개별 열전 섬유를 갖는 다심 케이블을 제조하는 것을 더 포함할 수 있다. In addition, the present invention seals one end of the glass tube so that the glass tube has one open end and one closed end, introduces a thermoelectric active material into the glass tube, and exhausts the glass tube by attaching the open end of the glass tube to the vacuum pump. And heating a portion of the glass tube such that the glass is partially melted and collapsed under vacuum to provide an ampoule in which the partially molten glass tube contains a thermoelectric material to be used in the first drawing operation, and an ampoule containing the thermoelectric material is introduced into a heating apparatus and And increasing the temperature in the heating apparatus such that the glass tube is melted sufficiently to be drawn out, and withdrawing the fiber of the glass coated thermoelectric active material. The method may further comprise bundleting the fibers of the glass clad thermoelectric active material together and redrawing them one or more times in succession to produce a multi-core cable having a plurality of individual thermoelectric fibers insulated from each other by the glass cladding.

추가로, 상기 방법은 유리 피복 섬유를 더 짧은 단편으로 쪼개는 단계, 유리 피복 섬유의 단편을 하나의 밀봉 말단 및 하나의 개방 말단을 갖는 다른 유리관에 도입하는 단계, 개방 말단을 진공 펌프에 부착함으로써 유리관을 배기하는 단계, 유리가 진공 하에서 부분 용융되어 붕괴하도록 유리관의 일부를 가열함으로써 부분 용융된 유리관이 유리 피복 섬유의 단편을 함유하는 앰플을 제공하는 단계, 앰플을 가열 장치에 도입하는 단계, 유리관이 그것이 인출되기에 충분할 정도로만 용융되도록 가열 장치 내의 온도를 증가시키는 단계, 유리 피복 열전 활성 물질의 섬유를 인출하여 다수의 다심 섬유를 갖는 케이블을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. In addition, the method includes breaking the glass coated fiber into shorter pieces, introducing a piece of glass coated fiber into another glass tube having one sealing end and one open end, and attaching the open end to the vacuum pump. Evacuating the substrate, heating the portion of the glass tube so that the glass is partially melted and collapsed under vacuum to provide an ampoule in which the partially molten glass tube contains a piece of glass-coated fiber, introducing the ampoule into a heating device, the glass tube being Increasing the temperature in the heating apparatus such that it melts only enough to be withdrawn, and withdrawing fibers of the glass-coated thermoelectric active material to produce a cable having a plurality of multicore fibers.

이들 실시태양은 모두 본원에 게재된 본 발명의 범위 내에 속하는 것을 의도한다. 본 발명의 이들 실시태양 및 다른 실시태양은 첨부 도면을 언급하는 바람직한 실시태양에 대한 다음 상세한 설명으로부터 당업계 숙련자에게 자명해질 것이고, 본 발명은 게재된 어떠한 특별한 바람직한 실시태양으로도 제한되지 않는다.All of these embodiments are intended to fall within the scope of the invention as disclosed herein. These and other embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art from the following detailed description of the preferred embodiments which refer to the accompanying drawings, and the invention is not limited to any particular preferred embodiment disclosed.

도 1은 본 발명의 원리에 따라서 유리 피복재(cladding)에 내장된 열전 활성 물질을 인출하기 위한 관형 노의 횡단면도.1 is a cross-sectional view of a tubular furnace for drawing thermoelectrically active material embedded in a glass cladding in accordance with the principles of the present invention.

도 2는 본 발명의 원리에 따라 제작된 PbTe 기반 케이블의 x선 회절 패턴을 나타내는 도면. 2 shows an x-ray diffraction pattern of a PbTe based cable made in accordance with the principles of the present invention.

도 3은 본 발명의 원리에 따라 제작된 유리 피복 PbTe 기반 케이블의 측면도.3 is a side view of a glass sheathed PbTe based cable made in accordance with the principles of the present invention.

도 4는 선 3A-3A를 따라 자른 도 3의 유리 피복 PbTe 기반 케이블의 확대 횡단면도. 4 is an enlarged cross sectional view of the glass sheathed PbTe based cable of FIG. 3 taken along lines 3A-3A.

도 5는 PbTe 섬유의 제 2 인출 후의 도 3의 유리 피복 PbTe 기반 케이블의 횡단면도.FIG. 5 is a cross-sectional view of the glass sheathed PbTe based cable of FIG. 3 after a second extraction of PbTe fibers. FIG.

도 6은 PbTe 섬유의 제 3 인출 후의 도 3의 유리 피복 PbTe 기반 케이블의 횡단면도.FIG. 6 is a cross sectional view of the glass sheathed PbTe based cable of FIG. 3 after a third extraction of PbTe fibers. FIG.

도 7은 도 4의 PbTe 케이블(PbTe 섬유의 제 1 인출 후)의 DC 저항을 도시하는 표.FIG. 7 is a table showing the DC resistance of the PbTe cable (after the first extraction of PbTe fibers) of FIG. 4.

도 8은 도 5의 PbTe 케이블(PbTe 섬유의 제 2 인출 후)의 DC 저항을 도시하는 표.FIG. 8 is a table showing the DC resistance of the PbTe cable (after the second withdrawal of PbTe fibers) of FIG. 5.

도 9는 도 6의 PbTe 케이블(PbTe 섬유의 제 3 인출 후)의 DC 저항을 도시하는 표.FIG. 9 is a table showing the DC resistance of the PbTe cable (after the third withdrawal of PbTe fibers) of FIG. 6.

바람직한 실시태양에 대한 상세한 설명DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

다음 문단에서는 본 발명을 예로서 첨부 도면을 참고로 하여 상세히 기술할 것이다. 이 설명 전반에 걸쳐서, 나타낸 바람직한 실시태양 및 예는 본 발명에 대한 제한이라기보다는 오히려 예시인 것으로 간주하여야 한다. 본원에서 사용되는 "본 발명"은 본원에 기술된 본 발명의 실시태양 및 균등물 중 어느 하나를 언급한다. 게다가, 이 명세서 전반에 걸쳐서 "본 발명"의 다양한 특징(들)에 관한 언급은 청구된 모든 실시태양 또는 방법이 언급된 특징(들)을 포함하여야 하는 것을 의미하지는 않는다.In the following paragraphs the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings by way of example. Throughout this description, the preferred embodiments and examples shown are to be regarded as illustrative rather than limiting to the invention. As used herein, "invention" refers to any of the embodiments and equivalents of the invention described herein. In addition, reference throughout this specification to various feature (s) of "the invention" does not imply that all claimed embodiments or methods must include the feature (s) mentioned.

도면에 대한 설명을 시작하기 전에, 이제, 몇 가지 용어를 정의할 것이다.Before beginning the description of the drawings, we will now define some terms.

벌크 물질 : 전형적으로 삼차원 모두가 1 마이크론 또는 1 ㎛보다 큰 육안적 크기의 열전 물질.Bulk material: A thermoelectric material of gross size, typically all three dimensions greater than 1 micron or 1 μm.

칼코겐화물 : 주기율표의 VI족 원소.Chalcogenide: A group VI element of the periodic table.

화학 기상 증착 : 웨이퍼 표면에서 반응하는 기체 혼합물에 웨이퍼를 놓음으로써 웨이퍼 기판 상에 박막(보통은 유전체/절연체)을 침착시키는 것. 이것은 노 또는 반응기에서 웨이퍼는 가열되지만 반응기의 벽은 가열되지 않는 중온 내지 고온에서 행할 수 있음. 플라즈마 화학 기상 증착은 반응성 기체를 플라즈마로 여기 시킴으로써 고온을 필요로 하지 않음.Chemical Vapor Deposition: Depositing a thin film (usually a dielectric / insulator) on a wafer substrate by placing the wafer in a reactant gas mixture at the wafer surface. This can be done at medium to high temperatures in which the wafer is heated in the furnace or reactor but the walls of the reactor are not heated. Plasma chemical vapor deposition does not require high temperatures by exciting the reactive gases into the plasma.

도핑 : 다른 점에서는 매우 순수한 반도체 결정에 극소량의 이물질을 의도적으로 첨가하는 것. 이들 첨가된 불순물은 반도체에 과량의 전도성 전자 또는 과량의 전도성 정공(전도성 전자가 없을 경우)을 제공함.Doping: Intentionally adding a very small amount of foreign material to a very pure semiconductor crystal. These added impurities provide the semiconductor with excess conductive electrons or excess conductive holes (in the absence of conductive electrons).

효율 : 시스템에 의해 발전된 전력을 시스템에 공급된 동력으로 나눈 것이고, 물질이 한 에너지 형태를 다른 형태로 얼마나 잘 전환하는가에 관한 척도임. 현재 입수가능하거나 또는 가까운 시일 내에 입수가능한 벌크형 열전 장치의 효율은 불과 8 내지 12%임.  Efficiency: The power generated by a system divided by the power supplied to the system and is a measure of how well a material converts one form of energy into another. The efficiency of bulk thermoelectric devices currently available or available in the near future is only 8-12%.

성능지수 : 열전 성능지수 ZT는 ZT = (S2*σ/κ)*T (여기서, S는 제베크 계수이고, T는 절대 온도이고, σ는 전기 비저항이고, κ는 열 전도도임)으로 주어짐. The figure of merit: The thermoelectric figure of merit ZT is given by ZT = (S 2 * σ / κ) * T, where S is the Seebeck coefficient, T is the absolute temperature, σ is the electrical resistivity, and κ is the thermal conductivity. .

텔루르화납 : PbTe는 Bi2Te3 이외의 가장 흔히 사용되는 열전 물질 중의 하나. PbTe는 400 내지 500℃의 온도에서 가장 높은 ZT를 나타내고 약 200 ℃ 내지 약 500 ℃의 유효 작업 범위를 가지기 때문에 전력 발전에 전형적으로 이용됨.Lead Telluride: PbTe is one of the most commonly used thermoelectric materials other than Bi 2 Te 3 . PbTe is typically used for power generation because it exhibits the highest ZT at temperatures of 400-500 ° C. and has an effective working range of about 200 ° C. to about 500 ° C.

나노 : 10억 분의 1 또는 0.000000001을 의미하는 접두어. 예를 들어, 실리콘 칩을 식각하는 데 이용되는 자외선의 파장은 수백 나노미터임. 나노미터의 기호는 nm임.NANO: Prefix that means one billionth or 0.000000001. For example, the wavelength of ultraviolet light used to etch silicon chips is hundreds of nanometers. The symbol for nanometer is nm.

양자 구속 : 양자 구속은 도체의 크기를 감소시킴으로써 전기 운반체(전자 또는 정공)가 공간에 구속될 때 발생함. 예를 들어, 매우 얇은 전도성 필름은 운 반체가 필름의 평면에 대해 수직인 방향으로 전파할 수 있는 자유를 제한함으로써 운반체의 자유를 감소시킴. 필름은 2-d 구조라고 말하며, 이러한 필름의 운반체는 한 방향에서 구속된 양자라고 말함. 그것은 다른 두 방향으로, 즉 필름의 평면에서 이리저리 이동할 수 있음.Quantum confinement: Quantum confinement occurs when an electrical carrier (electron or hole) is confined in space by reducing the size of the conductor. Very thin conductive films, for example, reduce the freedom of the carrier by limiting the freedom of the carrier to propagate in a direction perpendicular to the plane of the film. The film is said to be a 2-d structure, and the carrier of this film is said to be both constrained in one direction. It can move around in two different directions, ie in the plane of the film.

제베크 계수 : 한 물질에서 열 구배가 있을 때 발생하는 기전력. 이것은 보통 μV/켈빈으로 표현됨. 한 물질의 열전력 또는 제베크 계수는 그의 ZT 계수 결정에 큰 역할을 함.Seebeck coefficient: The electromotive force generated when there is a thermal gradient in a substance. This is usually expressed in μV / Kelvin. The thermal power or Seebeck coefficient of a material plays a large role in determining its ZT coefficient.

열 전도도 : 열 전도도는 단위 온도 구배에 대해 단위 단면적 및 단위 두께의 물질을 통해 수송되는 열의 양을 명시하는 한 물질의 고유 성질임. 열 전도도가 한 매질의 고유 성질이긴 하지만, 그것은 측정 온도에 의존한다. 공기의 열 전도도는 수증기의 열 전도도보다 약 50% 더 크고, 반면, 액체 물의 열 전도도는 공기의 열 전도도의 약 25 배임. 고체, 특히 금속의 열 전도도는 공기의 열 전도도보다 수천 배 더 큼.Thermal Conductivity: Thermal conductivity is an inherent property of a substance that specifies the amount of heat transported through a unit of cross-section and unit thickness for a unit temperature gradient. Although thermal conductivity is inherent in a medium, it depends on the temperature measured. The thermal conductivity of air is about 50% greater than the thermal conductivity of water vapor, while the thermal conductivity of liquid water is about 25 times that of air. The thermal conductivity of solids, especially metals, is thousands of times greater than the thermal conductivity of air.

본 발명은 다수의 1 차원 섬유를 함유하는 본원에서 "나노와이어", "케이블", "어레이", "헤테로구조", "복합체"라고 부르는 나노구조에 관한 것이다. 본 발명에 따르는 나노와이어는 하나 이상의 열전 활성 물질 및 하나의 조성 및 구조가 상이한 다른 물질(예: 유리)의 헤테로구조를 포함하고, 그들 사이에 계면 또는 접점부가 형성된다. 열전 활성 물질은 양자 구속의 이점을 이용하기 위해 두께 또는 직경이 나노 치수로 감소된다. 이와 같이 함으로써, 열전 활성 물질의 열전 효율이 향상된다. 열전 활성 물질은 또한 "열전 물질"이라고도 불린다. 피복재는 바람직하게는 구성 원자의 장거리 질서가 없는 비결정질 물질을 포함하는 유리와 같은 적당한 유리를 포함한다.The present invention relates to nanostructures referred to herein as "nanowires", "cables", "arrays", "heterostructures", "composites" containing a plurality of one-dimensional fibers. Nanowires according to the present invention comprise heterostructures of one or more thermoelectrically active materials and other materials of different composition and structure, such as glass, with interfaces or contacts formed therebetween. Thermoelectrically active materials are reduced in thickness or diameter to nanodimensions to take advantage of quantum confinement. By doing in this way, the thermoelectric efficiency of a thermoelectric active material improves. Thermoelectrically active materials are also referred to as "thermoelectric materials". The coating preferably comprises suitable glass, such as glass comprising an amorphous material that is free of long-range order of constituent atoms.

본 발명의 한 양상은 높은 ZT 값을 나타낼 수 있는 양자 구속된 나노와이어를 개발함으로써 실용 열전기를 생성하는 방법을 포함한다. 위에서 설명한 바와 같이, 열전 성능지수 Z의 방정식은 그것에 절대 온도 T, 예를 들어 열전 장치의 고온 접점부의 온도를 곱함으로써 무차원이 되게 할 수 있다. 무차원 열전 성능지수 ZT = (S2*σ/κ)*T가 열전 물질 또는 장치의 성능 및 에너지 전환 효율 평가에 이용될 수 있다는 결론이 나온다.One aspect of the present invention includes a method for generating utility thermoelectrics by developing quantum constrained nanowires that can exhibit high ZT values. As explained above, the equation of the thermoelectric figure of merit Z can be made dimensionless by multiplying it by an absolute temperature T, for example the temperature of the hot contact of the thermoelectric device. It is concluded that the dimensionless thermoelectric figure of merit ZT = (S 2 * σ / κ) * T can be used to evaluate the performance and energy conversion efficiency of a thermoelectric material or device.

PbTe 나노와이어의 경우, PbTe의 벌크 열 전도도(κ)를 고려하면, 750 K에서 ZT 계수는 ZT = (S2*σ/κ)*T를 이용할 때 여전히 매우 높다(즉, ZT는 약 2.0 초과임). 약 300 K 내지 750 K에서는 온도에 따라 ZT 계수가 증가한다. PbTe 기반 열전 나노와이어의 경우, S2*σ 값이 어느 일정 수준에서 최고값까지 증가하는 경향이 있어 나노와이어 폭이 감소함에 따라 ZT 계수가 증가한다. 그러나, 어느 일정 나노와이어 폭에 도달한 후에는, 나노와이어 폭이 감소함에 따라 ZT 계수가 감소하기 시작한다. 본원에 기술된 PbTe 기반 나노와이어는 Pb 및 Te의 화학양론을 변화시키거나 또는 일부 미량 성분/불순물을 첨가함으로써 n형 또는 p형 전도를 나타내도록 쉽게 맞출 수 있다.For PbTe nanowires, taking into account the bulk thermal conductivity (κ) of PbTe, the ZT coefficient at 750 K is still very high when using ZT = (S 2 * σ / κ) * T (ie ZT is greater than about 2.0). being). At about 300 K to 750 K the ZT coefficient increases with temperature. In the case of PbTe-based thermoelectric nanowires, the S 2 * σ value tends to increase from a certain level to the highest value, increasing the ZT coefficient as the nanowire width decreases. However, after reaching a certain nanowire width, the ZT coefficients begin to decrease as the nanowire width decreases. The PbTe based nanowires described herein can be easily tailored to exhibit n-type or p-type conduction by changing the stoichiometry of Pb and Te or by adding some trace components / impurities.

PbTe를 포함해서 많은 열전 물질은 산소에 민감하고, 이것은 열전 성능을 열화시킬 수 있다. 이러한 이유 때문에, 이러한 열전 물질이 밀봉되어 표적 환경 범 위 내에서 산소 오염으로부터 보호되게 하는 것이 유리하다. 물론, 열전 장치는 그것이 쓰일 예정인 요소 및 환경을 견뎌낼 수 없다면 상업적으로 실행가능하지 않다. Many thermoelectric materials, including PbTe, are sensitive to oxygen, which can degrade thermoelectric performance. For this reason, it is advantageous to ensure that these thermoelectric materials are sealed and protected from oxygen contamination within the target environmental range. Of course, thermoelectric devices are not commercially viable unless they can withstand the elements and environments in which they will be used.

PbTe가 바람직한 열전 물질이긴 하지만, 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 Bi2Te3, SiGe, ZnSb, Zn2S 및 Cd0 .8Sb3와 같은 다른 열전 물질이 이용될 수 있다. 열전 물질은 처음에 과립 또는 분말과 같은 편리한 어떠한 형태라도 될 수 있다.Although PbTe Thermoelectric materials are preferred although other materials such as thermally without departing from the scope of the present invention, Bi 2 Te 3, SiGe, ZnSb , Zn 2 S and Cd 0 .8 Sb 3 may be used. The thermoelectric material may initially be in any convenient form, such as granules or powders.

일단 섬유 인출된 나노와이어 케이블이 상기 방법을 이용해서 제조되면, 전기 전도도(σ) 및 열전력(S)을 측정하고, 매개변수 S2*σ의 변분을 결정한다. 매개변수 S2*σ는 실험에 의해 결정하고, 여기에 측정 온도(K)를 곱하고, 기지의 열 전도도(κ)로 나누어서 본 발명에 의해 제조된 나노와이어의 ZT 값을 제공한다.Once the fiber drawn nanowire cable is produced using this method, the electrical conductivity (σ) and thermal power (S) are measured and the variation of the parameter S 2 * σ is determined. The parameter S 2 * σ is determined by experiment, multiplied by the measured temperature (K) and divided by the known thermal conductivity (κ) to give the ZT value of the nanowires produced by the present invention.

나노와이어가 내장되지 않은 유리 피복재에 대해 판데르 포우(van der Pauw) 4-탐침 기기를 이용하여 행한 시험은 샘플이 매우 저항성이어서 기기가 전도도를 전혀 측정하지 못한다는 것을 보여주었다. 마찬가지로, 통상의 방법(예를 들어, 엠엠알 테크놀로지즈(MMR Technologies)(미국 캘리포니아주 마운틴뷰)에서 판매하는 제베크 계수 결정 시스템 이용)을 이용한 열전력 측정은 유리 피복재의 높은 비저항 때문에 어떠한 결과도 내지 못하였다. 그러나, PbTe 내장 케이블의 전기 전도도 및 열전력은 쉽게 측정할 수 있었으며, 이것은 전기 전도도 및 열전력 측정값이 케이블의 길이를 따르는 연속 나노와이어에 기인한다는 것을 알려준다. Testing conducted with a van der Pauw 4-probe instrument on glass coatings without nanowires showed that the sample was very resistant and the instrument did not measure conductivity at all. Likewise, thermal power measurements using conventional methods (e.g., using the Seebeck coefficient determination system sold by MMR Technologies (Mountain, Calif.)) Do not yield any results due to the high resistivity of the glass cladding. I couldn't. However, the electrical conductivity and thermal power of the PbTe embedded cable could easily be measured, indicating that the electrical conductivity and thermal power measurements are due to continuous nanowires along the length of the cable.

본 발명의 나노와이어 케이블을 위한 바람직한 열전 물질은 유리한 열전 성 질 및 합리적 비용 때문에 PbTe이다. PbTe의 기지의 벌크 열 전도도를 이용할 때, 750 K에서 ZT((S2*σ/κ)*T) 계수의 계산치는 >2.5이다. PbTe의 S2σ는 어느 일정 나노와이어 폭에서 최고값까지 증가하는 명확한 경향을 나타낸다. 벌크 PbTe의 가장 좋은 기지의 ZT 계수가 약 0.5라고 주어지면, 약 2.0 이상의 ZT 계수가 양자 구속에 의해 상당히 향상되는 것으로 여겨진다. ZT 계수는 이 최대값에 도달할 때까지는 나노와이어 폭이 감소함에 따라 증가하고, 그 다음부터는 나노와이어 폭이 더 감소함에 따라 ZT 계수가 감소하기 시작한다. 당업계 숙련자에 의해 인식되는 바와 같이, 적당한 열전 성질을 갖는 다른 열전 물질(예: Bi2Te3)이 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 이용될 수 있다.Preferred thermoelectric materials for the nanowire cables of the present invention are PbTe because of favorable thermoelectric properties and reasonable costs. Using the known bulk thermal conductivity of PbTe, the calculated ZT ((S 2 * σ / κ) * T) coefficient at 750 K is> 2.5. S 2 σ of PbTe shows a clear trend of increasing to a maximum at any given nanowire width. Given that the best known ZT coefficient of bulk PbTe is about 0.5, it is believed that the ZT coefficient of about 2.0 or greater is significantly improved by quantum confinement. The ZT coefficient increases as the nanowire width decreases until this maximum is reached, and then the ZT coefficient begins to decrease as the nanowire width further decreases. As will be appreciated by those skilled in the art, other thermoelectric materials having suitable thermoelectric properties (eg, Bi 2 Te 3 ) can be used without departing from the scope of the present invention.

본 발명에 따르면, 나노와이어의 최대 직경은 바람직하게는 약 200 nm 미만, 가장 바람직하게는 약 5 nm 내지 약 100 nm이다. 나노와이어의 횡단면이 원이 아닌 경우, 이 같은 상황에서 "직경"이라는 용어는 나노와이어의 종축에 대해 수직인 나노와이어의 횡단면의 장축 및 단축의 길이의 평균을 의미한다. 약 50 nm 내지 약 100 nm의 직경을 갖는 나노와이어는 하기하는 바와 같이 유리 피복재 중의 열전 물질을 인출하는 방법을 이용하여 제조할 수 있다.According to the invention, the maximum diameter of the nanowires is preferably less than about 200 nm, most preferably from about 5 nm to about 100 nm. If the cross section of the nanowire is not a circle, in this situation the term "diameter" means the average of the lengths of the major and minor axes of the cross section of the nanowire perpendicular to the longitudinal axis of the nanowire. Nanowires having a diameter of about 50 nm to about 100 nm can be prepared using a method of withdrawing a thermoelectric material in a glass coating as described below.

본 발명의 케이블은 바람직하게는 한쪽 말단에서 다른 한쪽 말단까지 고도의 직경 균일성을 나타내도록 제조된다. 본 발명의 일부 실시태양에 따르면, 유리 피복재의 최대 직경은 케이블 길이 전체에 걸쳐 약 10% 미만 범위에서 변할 수 있다. 덜 정밀한 응용의 경우, 나노와이어의 직경은 더 큰 범위에서 변할 수 있다(예를 들어, 응용에 의존해서 5 - 500 nm). 전기적으로, 유리는 그것을 이용해서 피복하는 열전 물질보다 10의 수 제곱 배 더 높게 저항성이다. 케이블은 일반적으로 반전도성 와이어를 기반으로 하고, 와이어의 도핑 및 조성을 열전 물질의 조성을 변화시킴으로써 주로 조절하여 p형 또는 n형 열전 거동을 나타내는 와이어를 생성한다. 유리한 것은, 케이블이 우월한 열전 장치 개발에 비용 효과적으로 이용될 수 있다는 점이다.The cable of the invention is preferably made to exhibit a high degree of diameter uniformity from one end to the other. According to some embodiments of the present invention, the maximum diameter of the glass cladding may vary in the range of less than about 10% over the cable length. For less precise applications, the diameter of the nanowires can vary in larger ranges (eg 5-500 nm depending on the application). Electrically, the glass is 10 times higher in resistance than the thermoelectric material it coats with it. Cables are generally based on semiconducting wires and mainly control the doping and composition of the wires by varying the composition of the thermoelectric material to produce wires exhibiting p-type or n-type thermoelectric behavior. Advantageously, the cable can be used cost-effectively in developing superior thermoelectric devices.

본 발명에 따르면, 유리 피복재 중의 열전 물질을 인출하는 방법은 유리 피복 열전 물질을 인출하여 열전 물질의 개별 섬유(또는 모노섬유), 바람직하게는 직경이 약 500 ㎛ 이하인 개별 섬유를 형성하는 것을 포함한다. 당업계 통상의 기술을 가진 자에 의해 인식되는 바와 같이, 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 모노섬유는 500 ㎛ 초과의 직경을 가질 수 있다. 케이블 직경은 모노섬유의 섬유 다발을 반복해서 인출함으로써 최소 5 - 100 nm까지 감소시킬 수 있고, 케이블의 횡단면에서 와이어의 농도는 ~ 109/㎠까지 증가시킬 수 있다. 유리한 것은, 이러한 케이블 이 향상된 열전력 발전 효율을 제공하기 위한 양자 구속을 나타낸다는 점이다.According to the invention, the method of drawing out the thermoelectric material in the glass coating material comprises drawing out the glass coating thermoelectric material to form individual fibers (or monofibers) of the thermoelectric material, preferably individual fibers having a diameter of about 500 μm or less. . As will be appreciated by one of ordinary skill in the art, monofibers may have a diameter of greater than 500 μm without departing from the scope of the invention. The cable diameter can be reduced to at least 5-100 nm by repeatedly drawing the fiber bundles of monofibers, and the concentration of the wire in the cross section of the cable can be increased to ˜10 9 / cm 2. Advantageously, these cables exhibit quantum confinement to provide improved thermal power generation efficiency.

유리 피복재 중의 열전 물질을 인출하는 방법은 케이블을 함께 다발화하고, 여러 번 연속해서 재인출하여 유리 피복 열전 섬유를 포함하는 다심 케이블을 제조하는 것을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 케이블의 섬유를 형성하는 물질은 PbTe 또는 Bi2Te3를 포함할 수 있다. 생성된 케이블은 유리 피복재에 의해 서로 절연된 다수의 개별 섬유를 갖는 다심 케이블을 포함한다. 특별한 유리 피복재는 선택된 열전 물질의 물리적, 화학적, 열적 및 기계적 성질과 부합하는 특이적인 조성을 함유하도록 선택될 수 있다. 유리 피복재는 바람직하게는 열전 섬유를 형성하는 금속, 합금 또는 반도체 물질보다 전기 비저항이 10의 수 제곱 배 더 높다. 대부분의 응용을 위한 적당한 상업적 유리는 파이렉스, 바이코 및 석영 유리를 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다. The method of drawing the thermoelectric material in the glass cladding may further comprise bundleing the cables together and redrawing several times in succession to produce a multicore cable comprising the glass clad thermoelectric fiber. For example, the material that forms the fibers of the cable may include PbTe or Bi 2 Te 3 . The resulting cable includes a multicore cable having a plurality of individual fibers insulated from each other by a glass cladding. Particular glass coatings may be selected to contain specific compositions that match the physical, chemical, thermal and mechanical properties of the selected thermoelectric material. The glass cladding preferably has an electrical resistivity of several orders of magnitude higher than the metal, alloy or semiconductor material forming the thermoelectric fiber. Suitable commercial glass for most applications include, but are not limited to, Pyrex, Vico and Quartz glass.

본 발명의 추가의 한 양상에 따르면, 섬유를 형성하는 금속, 합금 또는 반도체 물질을 변화시켜서 케이블을 n형 또는 p형이 되게 함으로써 개별 케이블을 열전 장치의 n형 및 p형 성분으로 이용할 수 있다. 케이블은 섬유의 두께 또는 직경을 예정된 범위로 감소시킴으로써 양자 구속을 나타내게 할 수 있고, 이렇게 함으로써 열전력 발전의 효율을 증가시킨다.According to one further aspect of the present invention, individual cables can be used as n-type and p-type components of thermoelectric devices by varying the metal, alloy or semiconductor material forming the fiber to make the cable n-type or p-type. The cable can exhibit quantum confinement by reducing the thickness or diameter of the fiber to a predetermined range, thereby increasing the efficiency of thermoelectric power generation.

유리 피복재 중의 열전 물질을 인출하는 방법Method of drawing out the thermoelectric material in the glass coating material

도 1을 보면, 유리 피복 열전 섬유를 인출하기 위한 열을 제공하기 위해 수직 관형 노 (10)이 이용된다. 특히, 수직 관형 노 (10)은 감소된 횡단면 (18)을 갖는 영역에서 밀봉되어, 열전 물질 (22)로 적어도 부분적으로 충전되는 진공 공간 (20)을 형성하는 유리관 (14)를 포함하는 프리폼(preform) (12)를 받아들이기 위한 중앙 내강(lumen) (11)을 포함한다. 유리 피복 열전 섬유 (24)를 제조하기 위한 한 번 이상의 인출 작업을 위한 준비로 열전 물질 (22) 및 유리관 (14)를 용융시키는 데 노가 이용된다.1, a vertical tubular furnace 10 is used to provide heat for drawing glass-covered thermoelectric fibers. In particular, the vertical tubular furnace 10 is sealed in an area with a reduced cross section 18 so as to form a preform comprising a glass tube 14 which forms a vacuum space 20 at least partially filled with a thermoelectric material 22. central lumen (11) for receiving a preform (12). A furnace is used to melt the thermoelectric material 22 and the glass tube 14 in preparation for one or more withdrawal operations to produce the glass coated thermoelectric fiber 24.

도 1에 관해서 더 언급하면, 수직 관형 노 (10)은 노 덮개 (26), 열 절연체 (28) 및 머플러 관 (30)을 포함한다. 머플러 관 (30)을 위한 적당한 물질은 알루 미늄과 같은 전도성 금속을 포함한다. 수직 관형 노 (10)은 그 안에 내장된 하나 이상의 가열 코일 (34)를 더 포함한다. 더 정확하게 말하면, 가열 코일 (34)는 머플러 관 (30)과 열 절연체 (28) 사이에 배치되고, 내화성 시멘트 (38)이 가열 코일 (34)와 열 절연체 사이에 배치되어 가열 코일 (34)에 의해 생성된 열을 안쪽으로 향하게 하여 머플러 관 (30) 내에 고온 대역 (40)을 형성한다. 가열 코일 (34)에는 세라믹 절연체 (48)을 이용해서 절연될 수 있는 도선 (44)가 제공된다. 추가로, 약 1 인치의 길이를 포함할 수 있는 고온 대역 (40) 내의 온도를 측정하기 위해 열전쌍 탐침 (50)이 제공된다. Further referring to FIG. 1, the vertical tubular furnace 10 includes a furnace cover 26, a thermal insulator 28 and a muffler tube 30. Suitable materials for the muffler tube 30 include a conductive metal such as aluminum. The vertical tubular furnace 10 further includes one or more heating coils 34 embedded therein. More precisely, the heating coil 34 is disposed between the muffler tube 30 and the thermal insulator 28, and the refractory cement 38 is disposed between the heating coil 34 and the thermal insulator to the heating coil 34. The heat generated thereby is directed inward to form the hot zone 40 in the muffler tube 30. The heating coil 34 is provided with a conductive wire 44 which can be insulated using the ceramic insulator 48. In addition, a thermocouple probe 50 is provided to measure the temperature in the hot zone 40, which may include a length of about 1 inch.

이제, 유리 피복재 내에 내장된 금속, 합금 또는 반도체 막대의 어레이를 포함하는 열전 활성 물질 (22)를 인출하는 방법을 기술할 것이다. 처음에, 적당한 열전 물질 (22)를 선택한다. 본 발명의 바람직한 열전 물질은 처음에 과립 형태인 PbTe를 포함한다. 추가의 적당한 열전 물질은 Bi2Te3, SiGe 및 ZnSb를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 다음 단계는 유리관 (14)를 형성하기 위한 적당한 물질을 선택하는 것을 포함한다. 유리 물질은 바람직하게는 열전 물질의 용융 온도(예를 들어, PbTe의 경우, ≥ 920 ℃)보다 약간 더 높은 섬유 인출 온도를 갖도록 선택된다. 이어서, 수직 관형 노 (10)을 이용해서 유리관 (14)의 한쪽 말단을 밀봉한다. 별법으로, 블로토치(blowtorch) 또는 다른 가열 장치를 이용해서 유리관 (14)를 밀봉하고 진공 공간 (20)을 생성할 수 있다. Now, a method of withdrawing a thermoelectric active material 22 comprising an array of metal, alloy or semiconductor rods embedded in a glass cladding will be described. Initially, a suitable thermoelectric material 22 is selected. Preferred thermoelectric materials of the invention include PbTe, which is initially in granular form. Further suitable thermoelectric materials include, but are not limited to, Bi 2 Te 3 , SiGe, and ZnSb. The next step involves selecting a suitable material to form the glass tube 14. The glass material is preferably selected to have a slightly higher fiber pull-out temperature than the melting temperature of the thermoelectric material (eg ≥ 920 ° C. for PbTe). Next, one end of the glass tube 14 is sealed using the vertical tubular furnace 10. Alternatively, a blowtorch or other heating device may be used to seal the glass tube 14 and create a vacuum space 20.

유리관 (14)의 한쪽 말단을 밀봉한 후, 그 다음 단계는 진공 공간 (20)에 열 전 과립을 도입하고, 유리관의 개방 말단을 진공 펌프에 부착함으로써 유리관을 배기하는 것을 포함한다. 진공 펌프가 작동하는 동안, 유리가 진공 하에서 부분 용융되어 붕괴하도록 유리관 (14)의 중간부를 가열한다. 부분 용융된 유리관은 제 1 인출 작업에 이용될 열전 물질 (22)를 함유하는 앰플 (54)를 제공한다. 다음 단계는 열전 물질 (22)를 함유하는 앰플 (54)의 말단을 수직 관형 노 (10) 안으로 도입하는 것을 포함한다. 도시된 실시태양에서, 관형 노 (10)은 앰플 (54)가 수직으로 도입되도록 구성되고, 이 경우 열전 과립을 함유하는 앰플 (54)의 말단이 고온 대역 (40) 내에 가열 코일 (34)에 인접해서 배치된다. After sealing one end of the glass tube 14, the next step includes introducing the thermoelectric granules into the vacuum space 20 and evacuating the glass tube by attaching the open end of the glass tube to the vacuum pump. During operation of the vacuum pump, the middle of the glass tube 14 is heated so that the glass partially melts and collapses under vacuum. The partially molten glass tube provides an ampoule 54 containing a thermoelectric material 22 to be used in the first drawing operation. The next step involves introducing the end of the ampoule 54 containing the thermoelectric material 22 into the vertical tubular furnace 10. In the illustrated embodiment, the tubular furnace 10 is configured such that the ampoule 54 is introduced vertically, in which case the ends of the ampoule 54 containing thermoelectric granules are connected to the heating coil 34 in the hot zone 40. Are arranged adjacently.

일단 앰플 (54)가 수직 관형 노 (10)에 적절하게 배치되면, 당업계에 알려진 통상의 유리 인출 타워에서 일어나는 것처럼 열전 과립을 싸는 유리가 그것이 인출되기에 충분할 정도로만 용융되도록 온도를 증가시킨다. 위에서 논의한 바와 같이, 유리의 조성은 바람직하게는 섬유 인출 온도 범위가 열전 과립의 용융점보다 약간 높도록 선택된다. 예를 들어, PbTe가 열전 물질로 선택된다면, PbTe 섬유가 내장된 유리를 인출하기 위한 적당한 물질은 파이렉스 유리이다. 유리관 (14) 및 열전 물질 (22)의 물리적, 기계적 및 화학적 성질은 생성되는 케이블의 성질에 어느 정도 관계가 있을 것이다. 바람직하게는, 이러한 성질들이 열전 물질 (22)의 성질에 대해서 최소의 편차를 보이는 유리가 피복재로 선택된다.Once the ampoule 54 is properly placed in the vertical tubular furnace 10, the temperature is increased so that the glass surrounding the thermoelectric granules melts only enough to be withdrawn, as occurs in conventional glass withdrawal towers known in the art. As discussed above, the composition of the glass is preferably selected such that the fiber withdrawal temperature range is slightly above the melting point of the thermoelectric granules. For example, if PbTe is selected as the thermoelectric material, a suitable material for withdrawing glass containing PbTe fibers is pyrex glass. The physical, mechanical and chemical properties of glass tube 14 and thermoelectric material 22 will be somewhat related to the properties of the resulting cable. Preferably, glass is selected as the coating material in which these properties exhibit a minimum deviation with respect to the properties of the thermoelectric material 22.

상기 유리관 (14)는 외경 7 mm 및 내경 2.75 mm를 갖는 상업적으로 입수가능한 파이렉스 관을 포함할 수 있고, 유리관은 PbTe 과립으로 약 3.5 인치의 길이에 걸쳐 충전된다. 유리관 (14)의 배기는 약 30 mtorr의 진공 하에서 하룻밤 동안에 달성할 수 있다. 배기 후, 열전 물질 (22)를 함유하는 유리관 (14)의 구역을 토치로 수분 동안 온화하게 가열하여 잔류 기체를 제거한 후, 유리관 (14)를 진공 하에서 열전 물질 (22)의 높이보다 위에서 밀봉한다.The glass tube 14 may comprise a commercially available Pyrex tube having an outer diameter of 7 mm and an inner diameter of 2.75 mm, wherein the glass tube is filled with PbTe granules over a length of about 3.5 inches. The evacuation of the glass tube 14 can be achieved overnight under a vacuum of about 30 mtorr. After evacuation, the zone of the glass tube 14 containing the thermoelectric material 22 is gently heated with a torch for several minutes to remove residual gas, and then the glass tube 14 is sealed above the height of the thermoelectric material 22 under vacuum.

작업시, 수직 관형 노 (10)이 유리 피복 열전 섬유를 인출하는 데 이용된다. 수직 관형 노 (10)은 약 1 인치의 짧은 고온 대역 (40)을 포함하고, 프리폼 (12)를 수직 관형 노 (10) 안에 하부 관 말단이 고온 대역 (40)보다 약간 아래에 있도록 넣는다. 노가 약 1030 ℃일 때, 하부 관 말단으로부터의 중량은 유리관 (14)가 그 자체 중량 하에서 뻗게 하는 데 충분하다. 유리관 (14)의 하부 말단이 노의 하부 개구부에 나타났을 때, 그것을 집게로 붙잡아서 손으로 당길 수 있다. 프리폼 (10)은 섬유 인출 공정 동안 소모된 프리폼 물질을 보충하기 위해 수동으로 주기적으로 전진시킬 수 있다. 섬유 (24)는 바람직하게는 약 70 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 직경을 포함한다. 본 발명의 추가의 실시태양에 따르면, 인출 작업은 직경 변동을 거의 나타내지 않는 자동 인출 타워를 이용하여 수행할 수 있다.In operation, a vertical tubular furnace 10 is used to draw glass-covered thermoelectric fibers. The vertical tubular furnace 10 includes a short hot zone 40 of about 1 inch and places the preform 12 into the vertical tubular furnace 10 so that the lower tube end is slightly below the hot zone 40. When the furnace is about 1030 ° C., the weight from the bottom tube end is sufficient to allow the glass tube 14 to extend under its own weight. When the lower end of the glass tube 14 appears in the lower opening of the furnace, it can be grabbed by forceps and pulled by hand. The preform 10 can be manually advanced periodically to replenish the preform material consumed during the fiber takeout process. Fiber 24 preferably comprises a diameter of about 70 μm to about 200 μm. According to a further embodiment of the invention, the withdrawal operation can be carried out using an automatic withdrawal tower which exhibits little change in diameter.

본 발명의 추가의 실시태양에 따르면, 헤테로구조를 인출한 후 헤테로구조를 더 짧은 단편으로 쪼갬으로써 짧은 섬유 절편을 형성할 수 있다. 예를 들어, 이들 짧은 단편은 약 3 인치 길이가 되도록 기계가공할 수 있다. 이어서, 단편들을 위에서 기술한 바와 같이 수직 관형 노를 이용하거나 또는 블로토치를 이용하여 한쪽 말단을 밀봉한 다른 한 파이렉스 관 내에서 다발화한다. 적당한 수의 모노섬유가 관에 채워졌을 때, 개방 말단을 진공 펌프에 부착하고, 중간 구역을 가열한다. 이 가열은 유리관의 붕괴를 일으키고, 이렇게 하여 관을 밀봉하고 제 2 인출 작업을 위한 앰플을 형성하고, 이는 다수의 다심 섬유를 갖는 케이블을 제조한다. 제 2 인출 작업 후, 섬유를 모아서, 다른 밀봉된 관의 구멍에 넣는다. 구멍이 적당한 수의 모노섬유로 충전될 때, 프리폼을 배기하고 진공하에서 밀봉한다. 이어서, 2번 인출된 섬유에 대해 섬유 인출을 수행한다. 이 공정을 필요한 만큼 반복하여 약 100 nm의 최종 열전 물질 직경을 얻는다.According to a further embodiment of the present invention, short fiber segments can be formed by drawing the heterostructure and then breaking the heterostructure into shorter fragments. For example, these short pieces can be machined to be about 3 inches long. The fragments are then bunched in another pyrex tube sealed at one end using a vertical tubular furnace or a blowtorch as described above. When the appropriate number of monofibers are filled in the tube, the open end is attached to the vacuum pump and the middle zone is heated. This heating causes the glass tube to collapse, thus sealing the tube and forming an ampoule for the second drawing operation, which produces a cable having a plurality of multicore fibers. After the second withdrawal operation, the fibers are collected and placed in the holes of another sealed tube. When the hole is filled with the appropriate number of monofibers, the preform is evacuated and sealed under vacuum. Subsequently, fiber withdrawal is performed on the fibers withdrawn twice. This process is repeated as necessary to obtain a final thermoelectric material diameter of about 100 nm.

나노와이어Nanowire 성질 Property

벌크 및 헤테로구조 나노와이어의 전자적 성질을 특성화하기 위해, 유리 피복 열전 물질의 x선 회절 특성을 결정하는 것이 중요하다. 도 2는 본 발명의 원리에 따라 제작된 PbTe 기반 케이블의 x선 회절 패턴을 도시하고, 여기서는 PbTe의 특성 스펙트럼이 유리의 x선 회절 패턴에 겹친다. 특히, x선 회절 패턴은 PbTe 피크가 존재하고 다른 피크는 없음을 명확하게 알려주고, 따라서 유리 물질이 섬유 인출 동안 PbTe와 반응하지도 않고 탈유리화하지도 않는다는 것을 예증한다. 이들 피크는 PbTe 결정의 피크의 독점적 특성이다. In order to characterize the electronic properties of bulk and heterostructured nanowires, it is important to determine the x-ray diffraction properties of the glass coated thermoelectric material. 2 shows an x-ray diffraction pattern of a PbTe based cable made according to the principles of the present invention, where the characteristic spectrum of PbTe overlaps the x-ray diffraction pattern of glass. In particular, the x-ray diffraction pattern clearly indicates that PbTe peaks are present and no other peaks, thus exemplifying that the glass material neither reacts nor devitrifies during fiber withdrawal. These peaks are the proprietary properties of the peaks of the PbTe crystals.

도 3은 위에서 기술한 유리 피복재에 내장된 열전 활성 물질을 인출하는 방법을 이용하여 제작된 유리 피복 PbTe 기반 케이블 (60)을 도시한다. 구체적으로 말하자면, 케이블 (60)은 다발화되고 융합되어 사실상 어떠한 길이도 가질 수 있는 케이블(또는 버튼)을 형성하는 다수의 다중 모노섬유 (64)를 포함한다. 이 버튼을 쪼개거나, 절단하거나, 또는 다른 방법으로 분할하여 예정된 길이를 갖는 다수의 짧은 케이블을 제조할 수 있다. 도 4는 선 3A - 3A를 따라 절취한 도 3의 유리 피복 PbTe 기반 케이블 (60)의 확대 횡단면도이다. 케이블 (60)은 다수의 모노섬유 (64)를 포함하고, 약 5.2 mm의 폭을 가지고, 약 300 K의 온도에서 PbTe 섬유의 단일 인출을 이용하여 제조한다. FIG. 3 shows a glass coated PbTe based cable 60 fabricated using the method of withdrawing the thermoelectric active material embedded in the glass coating described above. Specifically speaking, the cable 60 comprises a number of multiple monofibers 64 that are bundled and fused to form a cable (or button) that can have virtually any length. The buttons can be split, cut or otherwise split to produce a number of short cables having a predetermined length. 4 is an enlarged cross sectional view of the glass sheathed PbTe based cable 60 of FIG. 3 taken along lines 3A-3A. The cable 60 comprises a plurality of monofibers 64, has a width of about 5.2 mm and is made using a single pull of PbTe fibers at a temperature of about 300 K.

본 발명의 바람직한 실시태양에 따르면, 케이블 (60)을 함께 다발화하여 연속해서 여러 번 재인출하여 유리 피복재에 의해 서로 절연된 다수의 개별 열전 섬유를 갖는 다심 케이블을 제조한다. 도 5는 PbTe 섬유의 제 2 인출 후의 유리 피복 PbTe 기반 케이블 (60)의 횡단면도이다. 두 번 인출된 케이블은 약 2.78 mm의 폭을 갖는다. 도 6은 PbTe 섬유의 제 3 인출 후의 유리 피복 PbTe 기반 케이블 (60)의 횡단면도이고, 여기서 케이블은 약 2.09 mm의 폭을 갖는다.According to a preferred embodiment of the present invention, the cables 60 are bundled together and redrawn several times in succession to produce a multicore cable having a plurality of individual thermoelectric fibers insulated from one another by a glass cladding. FIG. 5 is a cross sectional view of the glass sheathed PbTe based cable 60 after the second withdrawal of PbTe fibers. The twice drawn cable has a width of about 2.78 mm. FIG. 6 is a cross sectional view of the glass sheathed PbTe based cable 60 after the third extraction of the PbTe fibers, where the cable has a width of about 2.09 mm.

도 3 - 6은 케이블 중의 와이어의 농도가 ~109/㎠으로까지 증가할 때 마이크로구조가 발달함을 도시한다. 이들 마이크로구조는 광학 및 주사 전자 현미경을 이용하여 관찰할 수 있다. 예를 들어, 에너지 분산 분광기를 이용하여 유리 기질에 PbTe 와이어가 존재함을 명백하게 알 수 있다. 3-6 show that microstructures develop when the concentration of wire in the cable increases to ˜10 9 / cm 2. These microstructures can be observed using optical and scanning electron microscopy. For example, energy dispersive spectroscopy can be used to clearly see the presence of PbTe wire in the glass substrate.

열전 성질 특성화Thermoelectric Characterization

본 발명의 다른 한 양상은 케이블의 전체 길이를 따라 유리에 내장된 섬유의 연속성 및 전기적 연결성이 있음을 포함한다. 전기적 연결성은 상이한 두께에서 케이블의 저항을 결정함으로써 쉽게 입증된다. 본 발명의 바람직한 한 실시에 따르면, 유리 피복재 안에 열전 와이어가 전혀 내장되지 않으면, 유리 피복재의 저항이 연속 열전 섬유의 저항보다 약 107 내지 108 배 더 높다. Another aspect of the invention includes the continuity and electrical connectivity of fibers embedded in glass along the entire length of the cable. Electrical connectivity is easily demonstrated by determining the resistance of the cable at different thicknesses. According to one preferred embodiment of the present invention, if no thermoelectric wire is embedded in the glass coating material, the resistance of the glass coating material is about 10 7 to 10 8 times higher than that of the continuous thermoelectric fiber.

열전 와이어의 전기적 연결성을 결정하는 데 이용되는 샘플은 섬유 인출 단 계 중 하나를 따른 후 프리폼으로부터 제조된 PbTe의 "버튼" 형태이다. 도 7 - 9를 보면, 유리에 내장된 열전 와이어의 저항은 약 1 Ω 이하이다. 다른 한편, 열전 와이어가 없는 유리 피복재의 저항은 108 Ω 초과이고, 이것은 PbTe에 내장된 케이블의 저항보다 약 108 배 더 높다. 이러한 전기 저항의 차이는 본원에 기술된 방법을 이용하여 인출된 유리 피복 열전 와이어가 한쪽 말단에서 다른 한쪽 말단까지 전기적 연결성을 나타낸다는 것을 알려준다.The sample used to determine the electrical connectivity of the thermoelectric wire is in the form of a "button" of PbTe made from the preform after following one of the fiber drawing steps. 7-9, the resistance of thermoelectric wires embedded in glass is about 1 kΩ or less. On the other hand, the resistance of the glass coating material without the thermal wire is 10 and greater than 8 Ω, which is about 10 8 times higher than the resistance of the cable embedded in the PbTe. This difference in electrical resistance indicates that the glass coated thermoelectric wire drawn using the method described herein exhibits electrical connectivity from one end to the other end.

도 7은 PbTe 섬유의 제 1 인출 후의 PbTe 케이블 (60)의 DC 저항을 도시하는 표이고, 여기서는 케이블의 저항(Ω)을 전류(A)에 대해 플롯팅한다. 특히, 케이블 (60)의 DC 저항은 전류가 증가함에 따라 견실히 감소한다. 도 8은 PbTe 섬유의 제 2 인출 후의 케이블 (60)의 DC 저항을 도시하는 표이고, 반면, 도 9는 PbTe 섬유의 제 3 인출 후의 PbTe 케이블 (60)의 DC 저항을 도시하는 표이다.FIG. 7 is a table showing the DC resistance of the PbTe cable 60 after the first extraction of the PbTe fiber, where the resistance of the cable is plotted against the current A. FIG. In particular, the DC resistance of the cable 60 decreases steadily with increasing current. FIG. 8 is a table showing the DC resistance of the cable 60 after the second withdrawal of PbTe fiber, while FIG. 9 is a table showing the DC resistance of the PbTe cable 60 after the third withdrawal of PbTe fiber.

본 발명의 원리에 따라 제조된 바람직한 케이블은 바람직하게는 전기적 절연 물질에 내장된 하나 이상의 열전 섬유를 포함하고, 여기서 열전 물질은 양자 구속을 나타낸다. 본 발명의 바람직한 실시태양에 따르면, 각 섬유의 폭은 열전 물질의 단결정의 폭과 실질적으로 동등하고, 여기서 각 섬유는 실질적으로 동일한 결정 배향을 갖는다. 바람직한 케이블은 함께 융합되거나 또는 소결되어 모든 섬유 사이에 전기적 연결성이 있는 다수의 섬유를 포함한다. 별법으로, 케이블의 섬유의 전부가 아니라 일부 섬유 사이에 전기적 연결성이 있다.Preferred cables made in accordance with the principles of the present invention preferably comprise one or more thermoelectric fibers embedded in an electrically insulating material, wherein the thermoelectric material exhibits quantum confinement. According to a preferred embodiment of the present invention, the width of each fiber is substantially equal to the width of the single crystal of the thermoelectric material, where each fiber has a substantially identical crystal orientation. Preferred cables include a plurality of fibers that are fused or sintered together to have electrical connectivity between all the fibers. Alternatively, there is electrical connectivity between some but not all of the fibers in the cable.

케이블의 유리 피복재는 바람직하게는 파이렉스, 보로실리케이트, 알루미노 실리케이트, 석영 및 텔루르화납-실리케이트와 같은 이성분, 삼성분 또는 그 초과성분 유리 구조를 포함하는 전기 절연 물질을 포함한다. 열전 물질은 열전 물질이 수 나노미터 내지 수 마일에 이르는 케이블의 예정된 길이를 따라서 전기적 연결성 및 양자 구속을 나타내도록 금속, 반금속, 합금 및 반도체로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다. 케이블의 ZT 계수는 바람직하게는 0.5 이상, 더 바람직하게는 1.5 이상, 가장 바람직하게는 2.5 이상이다.The glass cladding of the cable preferably comprises an electrically insulating material comprising a bicomponent, ternary or higher component glass structure such as pyrex, borosilicate, aluminosilicate, quartz and lead telluride-silicate. The thermoelectric material may be selected from the group consisting of metals, semimetals, alloys and semiconductors such that the thermoelectric material exhibits electrical connectivity and quantum confinement along a predetermined length of cable ranging from several nanometers to several miles. The ZT coefficient of the cable is preferably at least 0.5, more preferably at least 1.5 and most preferably at least 2.5.

따라서, 나노와이어에서의 양자 구속에 의해 제조된 열전 장치가 제공된다는 것을 알 수 있다. 당업계 숙련자는 본 발명을 제한의 목적의 아니라 예시의 목적으로 본원에 제시한 다양한 실시태양 및 바람직한 실시태양과 다르게 실시할 수 있음을 이해할 것이고, 본 발명은 다음 특허 청구의 범위에 의해서만 제한된다. 본원에서 논의된 특별한 실시태양의 균등물도 본 발명을 실시할 수 있다는 것을 주목한다. Thus, it can be seen that a thermoelectric device manufactured by quantum confinement in nanowires is provided. Those skilled in the art will understand that the present invention may be practiced differently from the various and preferred embodiments presented herein for purposes of illustration and not limitation, and the invention is limited only by the following claims. It is noted that equivalents of the particular embodiments discussed herein may also practice the present invention.

Claims (24)

전기 절연 유리 물질, 및 전기 절연 유리 물질에 내장된 하나 이상의 반도체 와이어를 포함하고, 하나 이상의 반도체 와이어가 열전 물질을 포함하며, 하나 이상의 반도체 와이어가 73 mm (3 인치) 내지 588 mm (2 ft)의 길이를 가지며, 반도체 와이어의 ZT 계수가 1.5 이상인 케이블.An electrically insulating glass material, and at least one semiconductor wire embedded in the electrically insulating glass material, at least one semiconductor wire comprising a thermoelectric material, wherein the at least one semiconductor wire is between 73 mm (3 inches) and 588 mm (2 ft) A cable having a length of Z and a ZT coefficient of semiconductor wire of 1.5 or more. 제 1 항에 있어서, 각 반도체 와이어가 실질적으로 열전 물질의 단결정인 케이블.The cable of claim 1 wherein each semiconductor wire is substantially a single crystal of thermoelectric material. 제 2 항에 있어서, 각 반도체 와이어가 실질적으로 동일한 결정 배향을 갖는 케이블.3. The cable of claim 2, wherein each semiconductor wire has a substantially identical crystal orientation. 제 1 항에 있어서, 각 반도체 와이어가 1 nm 내지 500 nm의 직경을 갖는 케이블.The cable of claim 1 wherein each semiconductor wire has a diameter of 1 nm to 500 nm. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 반도체 와이어가 다수의 와이어를 포함하고, 와이어 전부가 아니라 일부 사이에 전기적 연결성이 있는 케이블.The cable of claim 1, wherein the one or more semiconductor wires comprise a plurality of wires, the electrical connections being between some but not all of the wires. 제 1 항에 있어서, 전기 절연 유리 물질이 파이렉스, 보로실리케이트, 알루미노실리케이트, 석영, 텔루르화납-실리케이트 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 케이블.The cable of claim 1 wherein the electrically insulating glass material is selected from the group consisting of pyrex, borosilicates, aluminosilicates, quartz, lead telluride-silicates, and combinations thereof. 제 6 항에 있어서, 전기 절연 유리 물질이 이성분, 삼성분 또는 그 초과 성분 유리 구조를 포함하는 케이블.7. The cable of claim 6, wherein the electrically insulating glass material comprises a bicomponent, ternary or higher component glass structure. 제 1 항에 있어서, 반도체 와이어가 와이어 인출 타워를 이용하여 자동으로 인출되는 케이블.The cable of claim 1, wherein the semiconductor wire is automatically drawn out using a wire drawing tower. 제 1 항에 있어서, 반도체 와이어가 수동으로 인출되는 케이블.The cable of claim 1 wherein the semiconductor wire is manually drawn. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 반도체 와이어가 다수의 유리 피복 반도체 와이어를 포함하는 케이블.The cable of claim 1, wherein the one or more semiconductor wires comprise a plurality of glass clad semiconductor wires. 제 1 항에 있어서, 열전 물질이 PbTe를 포함하는 케이블.The cable of claim 1 wherein the thermoelectric material comprises PbTe. 제 1 항에 있어서, 열전 물질이 Bi2Te3, SiGe 및 ZnSb로 이루어지는 군으로부터 선택되는 케이블.The cable of claim 1 wherein the thermoelectric material is selected from the group consisting of Bi 2 Te 3 , SiGe and ZnSb. 유리관이 하나의 개방 말단 및 하나의 폐쇄 말단을 갖도록 유리관의 하나의 말단을 밀봉하는 단계, Sealing one end of the glass tube so that the glass tube has one open end and one closed end, 유리관 내부에 열전 활성 물질을 도입하는 단계, Introducing a thermoelectric active material into the glass tube, 유리가 부분 용융되도록 유리관의 일부를 가열하여 제 1 인출 작업에서 사용될 열전 물질을 함유하는 앰플을 형성하는 단계, Heating a portion of the glass tube to partially melt the glass to form an ampoule containing a thermoelectric material to be used in the first drawing operation, 열전 활성 물질을 함유하는 앰플을 가열 장치에 도입하는 단계, Introducing an ampoule containing a thermoelectric active material into a heating device, 유리관이 그것이 인출되기에 충분할 정도로 용융되도록 가열 장치 내의 온도를 증가시키는 단계, 및 Increasing the temperature in the heating device such that the glass tube melts to a sufficient extent that it is drawn out, and 유리 피복 열전 활성 물질의 와이어를 인출하는 단계Drawing out the wire of the glass clad thermoelectric active material 를 포함하는 유리 피복재 중의 열전 활성 물질을 인출하는 방법.Method for extracting the thermoelectric active material in the glass coating material comprising a. 제 13 항에 있어서, 14. The method of claim 13, 유리 피복 열전 활성 물질의 와이어를 함께 다발화하는 단계, 및 Bunching together wires of glass clad thermoelectric active material, and 연속해서 한 번 이상 재인출하여 유리 피복재에 의해 서로 절연된 다수의 개별 열전 와이어를 갖는 다심 케이블을 제조하는 단계Redrawing one or more times in succession to produce a multi-core cable having a plurality of individual thermoelectric wires insulated from each other by a glass cladding 를 더 포함하는 방법.≪ / RTI > 제 13 항에 있어서, 14. The method of claim 13, 유리 피복 와이어를 더 짧은 단편으로 쪼개는 단계, Splitting the glass sheathed wire into shorter pieces, 유리 피복 와이어의 단편을 하나의 밀봉 말단 및 하나의 개방 말단을 갖는 다른 한 유리관에 도입하는 단계, Introducing a piece of glass sheathed wire into another glass tube having one sealing end and one open end, 개방 말단을 진공 펌프에 부착함으로써 유리관을 배기하는 단계,Evacuating the glass tube by attaching the open end to a vacuum pump, 유리가 진공 하에서 부분 용융되어 붕괴하도록 유리관의 일부를 가열하여 부분 용융된 유리관이 유리 피복 와이어의 단편을 함유하는 앰플을 제공하는 단계,Heating a portion of the glass tube such that the glass is partially melted and collapsed under vacuum to provide an ampoule in which the partially molten glass tube contains a piece of glass sheathed wire, 앰플을 가열 장치에 도입하는 단계,Introducing an ampoule into a heating device, 유리관이 그것이 인출되기에 충분할 정도로만 용융되도록 가열 장치 내의 온도를 증가시키는 단계, 및Increasing the temperature in the heating device such that the glass tube melts only enough to be drawn out, and 유리 피복 열전 활성 물질의 와이어를 인출하여 다수의 다심 와이어를 갖는 케이블을 제조하는 단계Drawing a cable having a plurality of multi-core wires by drawing a wire of glass-covered thermoelectric active material 를 더 포함하는 방법. ≪ / RTI > 제 13 항에 있어서, 가열 장치가 유리관을 받아들이기 위한 중앙 내강을 포함하는 수직 관형 노를 포함하고, 중앙 내강이 유리관을 용융하기 위한 고온 대역을 포함하는 방법.The method of claim 13, wherein the heating device comprises a vertical tubular furnace comprising a central lumen for receiving the glass tube, and the central lumen includes a high temperature zone for melting the glass tube. 제 13 항에 있어서, 열전 활성 물질이 유리 피복재에 내장된 금속, 합금 또는 반도체 막대의 어레이를 포함하는 방법.The method of claim 13, wherein the thermoelectrically active material comprises an array of metal, alloy, or semiconductor rods embedded in a glass cladding. 제 13 항에 있어서, 열전 활성 물질이 처음에 과립 형태인 PbTe를 포함하는 방법.The method of claim 13, wherein the thermoelectrically active material comprises PbTe initially in granular form. 제 13 항에 있어서, 열전 활성 물질이 Bi2Te3, SiGe 또는 ZnSb를 포함하는 방법.The method of claim 13, wherein the thermoelectrically active material comprises Bi 2 Te 3 , SiGe or ZnSb. 제 13 항에 있어서, 유리 피복재가 파이렉스, 보로실리케이트, 알루미노실리케이트, 석영, 및 텔루르화납-실리케이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 전기 절연 물질을 포함하는 방법.The method of claim 13, wherein the glass coating comprises an electrically insulating material selected from the group consisting of pyrex, borosilicate, aluminosilicate, quartz, and lead telluride-silicate. 제 13 항에 있어서, 유리에 내장된 열전 와이어의 전기 저항이 1 Ω 미만이고, 열전 와이어가 없는 유리 피복재의 전기 저항이 108 Ω 초과인 방법.The method of claim 13 wherein the electrical resistance of the thermoelectric wires embedded in the glass is less than 1 kPa, and the electrical resistance of the glass cladding without thermoelectric wires is greater than 10 8 kPa. 제 13 항에 있어서, 각 와이어의 폭이 열전 활성 물질의 단결정의 폭과 실질적으로 동등한 방법.The method of claim 13, wherein the width of each wire is substantially equal to the width of the single crystal of the thermoelectric active material. 제 13 항에 있어서, 와이어가 한쪽 말단에서 다른 한쪽 말단까지 전기적으로 연결되지만 와이어 사이에 측방 전기 연결이 없도록 유리 피복 와이어가 함께 융합되거나 또는 소결되는 방법.The method of claim 13, wherein the glass sheathed wires are fused or sintered together such that the wires are electrically connected from one end to the other end but there are no lateral electrical connections between the wires. 제 13 항에 있어서, 개별 와이어가 와이어 전부가 아니라 일부 사이에 한쪽 말단에서 다른 한쪽 말단까지 전기적 연결성이 있도록 함께 융합되거나 또는 소결되는 방법.14. The method of claim 13, wherein the individual wires are fused or sintered together such that they are electrically connected from one end to the other, not between all of the wires.
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