KR101442018B1 - Alkaline or alkaline earth metal doped indium selenide compound and thermoelectric materials manufactured by compounding the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열전재료에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일반적인 금속이나 반도체와 비교하여 열전도도가 작고 제벡계수가 큰 알칼리 및 알칼리 토금속이 첨가된 고효율 인듐 셀레나이드 열전소자용 화합물에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric material, and more particularly, to a high-efficiency indium-selenide thermoelectric element compound having an alkali and alkaline earth metal added thereto, which has a smaller thermal conductivity and a higher Seebeck coefficient than a general metal or a semiconductor.
또한, 본 발명은 이러한 화합물을 합성하여 제조되는 열전재료에 대한 것이다.The present invention also relates to a thermoelectric material produced by synthesizing such a compound.
일반적으로 열전재료는 펠티어 효과(Peltier effect) 및/또는 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 능동냉각 및 폐열발전 등에 응용할 수 있는 재료이다. Generally, thermoelectric materials are materials that can be applied to active cooling and cogeneration using a Peltier effect and / or a Seebeck effect.
이러한 펠티어 효과를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, 상기 펠티어 효과는 외부전원(120)에서 DC 전압을 가해주었을 때 p-type 재료(100)의 정공과 n-type 재료(110)의 전자가 이동함으로써 재료 양단에 발열과 흡열을 일으키는 현상이다. A diagram showing such a Peltier effect is shown in FIG. 1, when the DC voltage is applied to the
상기 제벡 효과를 보여주는 도면이 도 2에 도시된다. 도 2를 참조하면, 외부 열원(200)에서 열을 공급 받을 때 전자와 정공이 이동하면서 재료에 전류의 흐름이 생겨 발전(發電)을 일으키는 현상을 말한다.A diagram showing the Seebeck effect is shown in FIG. Referring to FIG. 2, when heat is supplied from the
이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각은 소자의 열적 안정성을 개선시키고 진동과 소음이 없으며 별도의 응축기와 냉매를 사용하지 않아 부피가 작고 환경 친화적인 방법으로서 인식되고 있다. 이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각의 응용분야로서는 무냉매 냉장고, 에어컨, 각종 마이크로 냉각 시스템 등에 사용할 수 있으며, 특히, 각종 메모리 소자에 열전소자를 부착시키면 기존의 냉각방식에 비해 부피는 줄이면서 소자를 균일하고 안정한 온도로 유지시킬 수 있으므로 소자의 성능을 개선할 수 있다.The active cooling using the thermoelectric material improves the thermal stability of the device, eliminates vibration and noise, and does not use a separate condenser and a refrigerant. Thus, the active cooling is recognized as a small-volume, environmentally friendly method. Application of active cooling using such thermoelectric materials can be applied to a non-refrigerated refrigerator, an air conditioner, and various micro cooling systems. Particularly, when thermoelectric elements are attached to various memory devices, The temperature can be maintained at a uniform and stable temperature, and the performance of the device can be improved.
한편 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 열전재료를 열전발전에 활용하면 폐열(waste heat)을 에너지원으로 활용할 수 있어서 자동차 엔진 및 배기장치, 쓰레기 소각장, 제철소 폐열, 인체 열을 이용한 인체 내 의료기기의 전원 등 에너지의 효율을 높이거나 폐열을 수거하여 사용하는 다양한 분야에 응용할 수 있다.On the other hand, if the thermoelectric material is used for thermoelectric power generation by using the Seebeck effect, waste heat can be utilized as an energy source, and it can be used as an energy source for automobile engines and exhaust devices, waste incinerators, waste heat of steelworks, Such as the power of the power source, or to collect waste heat and use it in various fields.
이와 같은 열전재료의 성능을 측정하는 인자로는 다음 수학식 1과 같이 정의되는 무차원 성능지수 ZT값을 사용한다.As a factor for measuring the performance of the thermoelectric material, the dimensionless figure of merit ZT, which is defined by the following
[수학식 1][Equation 1]
여기서, S는 제벡계수, σ는 전기전도도, T는 절대온도, κ는 열전도도를 나타낸다.Where S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, T is the absolute temperature, and κ is the thermal conductivity.
상기 무차원 성능지수 ZT값을 증가시키기 위해서는 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 재료를 찾아야 한다.In order to increase the dimensionless figure of merit ZT, a material having high Seebeck coefficient, high electrical conductivity and low thermal conductivity should be sought.
그러나, 일반적인 Indium Selenide In4Se3-x 열전소재는 ZT 1.48을 갖는 n-type 결정소재로써 전류밀도가 1018 cm-3 정도이다. 이 정도의 전류밀도는 열전소재의 최적화된 전류밀도인 1019~1020 cm-3 에 미치지 못하는 것으로써 열전물성 최적화가 이루어지지 않았다. However, a typical Indium Selenide In 4 Se 3-x thermoelectric material is an n-type crystalline material with a ZT of 1.48 and a current density of about 10 18 cm -3 . The current density of this level is less than 10 19 ~ 10 20 cm -3 , which is the optimum current density of the thermoelectric material, and the thermoelectric property optimization is not achieved.
전자도핑을 통해 전류밀도를 향상시키기 위하여 chlorine을 도핑한 Indium Selenide In4Se3-xCl0.03 열전소재는 전류밀도가 1019 cm-3 으로 향상되어 최고 ZT값이 1.53으로 향상되고 저온에서 특성에 크기 개선되어 넓은 작동온도를 갖게 되었다. In order to improve the current density through electron doping, the current density of Indium Selenide In 4 Se 3-x Cl 0.03 thermoelectric material doped with chlorine was increased to 10 19 cm -3 and the maximum ZT value was improved to 1.53. The size has been improved to have a wide operating temperature.
그러나 Boltzmann transport 계산으로부터 도 3에서와 같이 In4Se3-x (0.22 eV)와 In4Se3-xCl0.03 (0.34 eV) 모두 최적의 파워팩터 S2σ를 갖는 영역(0.8 eV)으로부터 많이 떨어져 있어 전자 도핑이 더 많이 이루어져야 한다는 단점이 있다.However Boltzmann transport from, as in FIG calculation In 4 Se 3-x (0.22 eV) and In 4 Se lot from 3-x Cl 0.03 (0.34 eV ) both areas (0.8 eV) has an optimum power factor S 2 σ There is a disadvantage that more electron doping must be performed.
여기서, 도 3은 화학적 포텐셜에 대해 Indium Selenide의 볼츠만 수송(Boltzmann transport) 계산으로부터 얻어진 전기전도도(330), 제벡계수(320), 파워팩터(310)를 나타내는 개략도이다. 3 is a schematic diagram showing the
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 제벡계수가 크면서도 열전도도가 매우 작은 열전소자용 화합물을 제공하는 데 있다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a thermoelectric compound having a high Seebeck coefficient and a very low thermal conductivity.
또한, 본 발명은 열전소자용 화합물을 합성하여 제조되는 열전재료를 제공하는데 다른 목적이 있다. Another object of the present invention is to provide a thermoelectric material produced by synthesizing a compound for a thermoelectric element.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 제벡계수가 크면서도 열전도도가 매우 작은 열전소자용 화합물을 제공한다.The present invention provides a thermoelectric compound having a large Seebeck coefficient and a very low thermal conductivity in order to achieve the above problems.
상기 열전소자용 화합물은 하기 화학식 1의 조성을 갖는 열전소자용 알칼리 및 알칼리 토금속이 첨가된 화합물이다.The thermoelectric-element-forming compound is a compound to which an alkali and an alkaline earth metal for a thermoelectric element having a composition represented by the following general formula (1) are added.
(화학식 1)(Formula 1)
(A1-aA' a)4-x(B1-bB' b)3-y H δ (A 1-a A ' a ) 4-x (B 1 -b B ' b ) 3-y H δ
상기 식에서, 상기 A는 13족 원소이며, A'는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 중 하나로부터 선택된 원소이고, 상기 B 및 B'는 서로 상이하고, 상기 B는 S, Se, Te 중 하나의 원소이며, B'는 14족, 15족, 16족 원소 중 하나를 선택한 원소이고, 상기 H는 할로겐 원소 중 하나를 선택한 원소이고,Wherein A is an element selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals, B and B 'are different from each other, B is one of S, Se and Te, B 'is an element selected from one of Group 14, Group 15, and Group 16 elements, H is an element selected from one of halogen elements,
상기 a는 0≤a<1이고, Wherein a is 0? A <1,
상기 b는 0≤b<1이고, B is 0? B <1,
상기 x는 0<x<1이고, X is 0 < x < 1,
상기 y는 0<y<1이고, Y is 0 < y < 1,
상기 δ는 0≤δ<0.1일 수 있다.The delta may be 0 < / = < 0.1.
여기서, 상기 A가 In 또는 Ga인 것을 특징으로 할 수 있다.Here, the A may be In or Ga.
또한, 상기 A'는 Ba, Sr, Ca, Na, Li으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상인 것인 것을 특징으로 할 수 있다.The A 'may be at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, Na and Li.
또한, 상기 화합물은 2차원의 층상 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.Further, the compound may be a two-dimensional layered structure.
또한, 상기 화합물은 인-플레인(in-plane) 방향으로는 공유결합을 형성하며, 층간 결합은 이온 결합 및 반데르 바알스(Van der Waals) 결합 중 적어도 하나를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the compound may form a covalent bond in the in-plane direction, and the interlayer bond may form at least one of an ionic bond and a Van der Waals bond .
또한, 아웃 오브 플레인(out of plane) 방향으로는 배향성을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.Further, it can be characterized that it has an orientation in an out-of-plane direction.
또한, 인-플레인(in-plane) 방향으로는 격자 왜곡(lattice distortion)을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.Also, it can be characterized in that it has a lattice distortion in the in-plane direction.
또한, 상기 화합물의 전류밀도가 1016개/cm3내지 1020개/cm3이면 특정 영역에서 전자와 주변 원자들과의 강한 상호작용으로 상기 화합물의 격자 왜곡이 발생하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, when the current density of the compound is 10 16 / cm 3 to 10 20 / cm 3 , lattice distortion of the compound occurs due to strong interaction between electrons and neighboring atoms in a specific region .
또한, 상기 전류 밀도를 증가시키는 방식은, 공정상의 조건을 변화시켜 물성을 변화시키는 방식, 도핑 원소를 첨가하는 방식 또는 흠결(defect)을 유도하는 방식 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.The method of increasing the current density may be any one of a method of changing physical properties by changing a process condition, a method of adding a doping element, or a method of inducing a defect.
또한, 상기 A 및 B 중 적어도 하나는 화학양론보다 부족하게 첨가되는 것을 특징으로 할 수 있다.Also, at least one of A and B may be added in an amount less than stoichiometry.
또한, 상기 A는 격자 구조 내에서 일차원적으로 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the A may be arranged in one dimension within the lattice structure.
또한, 기본 성분인 상기 A 및 B에 도핑성분인 A' 또는 B'가 선택적으로 첨가되는 것을 특징으로 할 수 있다.Further, A 'or B' which is a doping component may be selectively added to A and B which are basic components.
또한, 상기 A' 및 B'는 1성분계, 2성분계 또는 3성분계의 형태로 첨가되는 것을 특징으로 할 수 있다.The above-mentioned A 'and B' may be added in the form of a one-component system, a two-component system or a three-component system.
여기서, 상기 2성분계인 경우 그 몰비는 1:9 내지 9:1이고, 3성분계의 경우 그 몰비는 1:0.1내지0.9:0.1내지0.9인 것을 특징으로 할 수 있다.Here, the molar ratio of the two-component system is 1: 9 to 9: 1, and the molar ratio of the three-component system is 1: 0.1 to 0.9: 0.1 to 0.9.
한편으로 본 발명의 다른 실시예는 위에서 기술된 화합물을 다결정 합성법 또는 단결정 성장법을 이용하여 제조되는 열전 재료를 제공한다.On the other hand, another embodiment of the present invention provides a thermoelectric material prepared by using polycrystalline synthesis method or single crystal growth method.
여기서, 상기 다결정 합성법은 앰플(Ampoule) 이용법, 아크 용융(Arc melting)법, 및 고상 반응법(Solid state reaction) 중 어느 하나 인 것을 특징으로 할 수 있다.Here, the polycrystalline synthesis method may be any one of an ampoule method, an arc melting method, and a solid state reaction method.
또한, 상기 단결정 성장법은, 금속 플럭스(Metal flux) 법, 브릿지맨(Bridgeman) 법, 광학 유동 영역법(Optical floating zone), 및 증기 전송(Vapor transport) 법 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.The single crystal growth method may be any one of a metal flux method, a Bridgeman method, an optical floating zone method, and a vapor transport method. have.
또한, 열전소자 형성시 그 절단 방향이 성장방향에 수직 방향인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the thermoelectric element may be characterized in that its cutting direction is perpendicular to the growth direction.
또한, 선택적인 원소도핑을 통해 전류밀도를 최적화하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the current density can be optimized through selective element doping.
또한, 추가적으로 고밀도화 공정을 이용하여 고밀도화하는 것을 특징으로 할 수 있다.It is also possible to further increase the density by using a high-density process.
이때, 상기 고밀도화 공정은, 핫 프레스법, 스파크 플라즈마 소결법, 및 핫 포징법 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.At this time, the densification step may be any one of a hot pressing method, a spark plasma sintering method, and a hot posing method.
본 발명에 따르면, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 인듐 셀레나이드 열전소재에 첨가함으로써 전기전도성을 향상시켜 열전물성을 증대시킨다.According to the present invention, by adding an alkali metal or an alkaline earth metal to the indium selenide thermoelectric material, the electrical conductivity is improved and the thermoelectric property is increased.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 위와 같은 열전재료가 무냉매 냉장고, 에어컨, 폐열발전, 군사 항공 우주용 열전 핵발전, 마이크로 냉각 시스템 등에 유용하게 사용할 수 있다는 점을 들 수 있다.In addition, as another effect of the present invention, the thermoelectric material may be useful for a non-refrigerated refrigerator, an air conditioner, a waste heat power generator, a thermoelectric nuclear power generator for military and aerospace, and a micro cooling system.
도 1은 일반적인 펠티어 효과에 의한 열전냉각을 나타내는 개략도이다.
도 2는 일반적인 제벡효과에 의한 열전발전을 나타내는 개략도이다.
도 3은 일반적으로 화학적 포텐셜에 대해 Indium Selenide의 볼츠만 수송(Boltzmann transport) 계산으로부터 얻어진 전기전도도(330), 제벡계수(320), 파워팩터(310)를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소재 In4Se2.7과 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03의 온도에 따른 전기저항을 나타내는 그림이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소재 In4Se2.7과 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03의 온도에 따른 제벡계수(S)를 나타내는 그림이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소재 In4Se2.7과 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03의 온도에 따른 파워팩터(S2σ)를 나타내는 그림이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소재 In4Se2.7과 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03의 온도에 따른 열전도도(k)를 나타내는 그림이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소재 In4Se2.7과 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03의 온도에 따른 무차원 성능지수(ZT)값을 나타내는 그림이다.1 is a schematic view showing thermoelectric cooling by a general Peltier effect.
Fig. 2 is a schematic diagram showing a thermoelectric power generation by a general Seebeck effect.
3 is a schematic diagram showing the
FIG. 4 is a graph showing the electrical resistance of thermoelectric materials In 4 Se 2.7 and In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the Seebeck coefficient (S) according to the temperature of thermoelectric materials In 4 Se 2.7 and In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing a power factor (S 2 σ) according to temperature of the thermoelectric material In 4 Se 2.7 and In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the thermal conductivity (k) of thermoelectric materials In 4 Se 2.7 and In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the dimensionless figure of merit (ZT) according to the temperature of thermoelectric materials In 4 Se 2.7 and In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.Like reference numerals are used for similar elements in describing each drawing.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. The term "and / or" includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Should not.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 알칼리 및 알칼리 토금속이 첨가된 고효율 인듐 셀레나이드 열전소재를 상세하게 설명하기로 한다.
Hereinafter, a high-efficiency indium-selenide thermoelectric material to which an alkali and an alkaline earth metal are added according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일실시예에 따른 열전재료로 유용한 조성물은 하기 화학식 1의 화합물을 갖는다.A useful composition for a thermoelectric material according to one embodiment of the present invention comprises a compound of formula (1)
[화학식 1][Chemical Formula 1]
(A1-aA' a)4-x(B1-bB' b)3-y H δ (A 1-a A ' a ) 4-x (B 1 -b B ' b ) 3-y H δ
여기서, A는 13족 원소이며, A'은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 중 하나로부터 선택된 원소를 나타낸다. 또한, 상기 B 및 B'는 서로 상이하고, B는 S, Se, Te중 하나의 원소가 될 수 있다. 또한, B'는 14족, 15족, 16족 원소 중 하나를 선택한 원소를 나타내며, H는 할로겐 원소 중 하나를 선택한 원소를 나타낸다.Here, A represents a group 13 element, and A 'represents an element selected from one of an alkali metal and an alkaline earth metal. Further, B and B 'are different from each other, and B can be one of S, Se and Te. B 'represents an element selected from one of Group 14, Group 15, and Group 16 elements, and H represents an element selected as one of halogen elements.
또한, a는 0≤a<1의 범위를 가질 수 있으며, b는 0≤b<1의 범위를 가질 수 있으며, x는 -1<x<1의 범위를 가질 수 있으며, y는 -1<y<1의 범위를 가질 수 있고, δ는 0≤δ<0.1의 범위를 가질 수 있다.B may have a range of 0? B <1, x may have a range of -1 <x <1, and y may have a range of -1 < y < 1, and? may have a range of 0?? <0.1.
특히, x는 0<x<1의 범위를 가질 수 있고, y는 0<y<1의 범위를 가질 수 있다. 특히, A에 해당하는 13족 원소로서는 In 또는 Ga이 바람직하다.In particular, x may have a range of 0 < x < 1 and y may have a range of 0 < y < Particularly, as the Group 13 element corresponding to A, In or Ga is preferable.
또한, A'에 해당하는 알칼리 또는 알칼리 토금속으로는 Ba, Sr, Ca, Na, Li이 바람직하다. 또한, B로서는 Se 또는 Te이 바람직하다.The alkali or alkaline earth metal corresponding to A 'is preferably Ba, Sr, Ca, Na or Li. As B, Se or Te is preferable.
상기 화학식 1의 조성을 갖는 화합물은 2차원의 층상 구조를 가질 수 있으며, 일정방향으로 배향성을 갖게 되고, 층간 반데어 바알스(van der Waals) 결합을 통해 낮은 열전도도를 나타낸다.The compound having the composition represented by
특히, 상기 화학식 1의 조성을 갖는 화합물은 격자왜곡이 없는 구조를 가질 수 있으나, 전류 밀도의 변화에 따라서 격자 왜곡이 발생할 수 있다. 특히, 전류밀도가 증가하면 적정 영역에서 전자와 주변 원자들과의 강한 상호작용으로 상기 화합물의 격자를 왜곡시켜 열전도도를 감소시키게 되므로 보다 바람직하다. In particular, the compound having the composition of
예를 들어 상기 전류밀도가 약 1016개/cm3미만인 경우에는 격자 왜곡이 발생하지 않으나, 상기 전류밀도가 약 1016개/cm3 내지 약 1020개/cm3에서는 격자 왜곡이 발생할 수 있다.For example, when the current density is less than about 10 16 / cm 3 , lattice distortion does not occur, but the current density is about 10 16 / cm 3 To about 10 < 20 > / cm < 3 > may cause lattice distortion.
상기와 같이 전류 밀도를 증가시켜 격자 왜곡을 유발하는 방법으로서는 상기 화학식 1의 조성을 갖는 화합물의 제조 공정상의 조건을 변화시켜 물성을 변화시키는 방법, 도핑 원소를 첨가하는 방법 또는 흠결(defect)을 유도하는 방법 등을 사용할 수 있다.As a method of inducing lattice distortion by increasing the current density as described above, a method of changing the physical properties of the compound having the composition represented by
상기 물성 변화를 위한 제조 공정상의 조건으로서는 소성 공정에서 소성 온도 또는 소성 시간을 조절하거나 압력 조건 등을 변화시킬 수 있으며, 상기 흠결을 유도하는 방법으로서는 상기 화학식 1의 화합물의 제조시 원료물질인 A 성분 및/또는 B성분을 화학양론보다 부족하게 첨가함으로써 수행할 수 있다.As the conditions of the production process for the physical property change, it is possible to control the firing temperature or the firing time in the firing process, or to change the pressure condition, etc. As a method of inducing the flaw, And / or < / RTI > component B in a less than stoichiometric amount.
상기와 같이 전류밀도를 변화시킴으로써 상기 화학식 1의 화합물의 in-plane 방향으로는 격자 왜곡(lattice distortion)이 있고, out of plane 방향으로는 배향성을 갖게 되어, 낮은 열전도도를 나타낸다. By changing the current density as described above, the compound of
상기 화학식 1의 화합물은 또한 격자 구조 내에서 A 성분이 거의 일차원적으로 배열되어 이 경로를 따라 전자 또는 홀이 이동하므로 저차원 전도특성에 의해 제벡계수가 향상된다.The compound of formula (1) is further improved in the Seebeck coefficient by the low dimensional conduction property because the A component is arranged almost one-dimensionally in the lattice structure and electrons or holes move along this path.
상기 화학식 1의 화합물에서 기본 성분인 A 및 B에 도핑성분이 A' 또는 B'이 선택적으로 첨가되어 전기전도도가 개선됨으로써 상기 수학식1의 ZT값이 증가하게 된다.The doping component A 'or B' is selectively added to the basic components A and B of the compound of
도핑 성분인 상기 A' 성분 및 B' 성분은 1성분계, 2성분계 또는 3성분계의 형태로 첨가될 수 있으며, 2성분계인 경우 그 몰비는 1:9내지 9:1의 비율로 첨가될 수 있으며, 3성분계의 경우 1:0.1-0.9:0.1-0.9의 비율로 첨가될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.The A 'component and the B' component, which are doping components, may be added in the form of a one-component system, a two-component system, or a three-component system, and in a two-component system, a molar ratio thereof may be added in a ratio of 1: 9 to 9: In the case of the three-component system, it may be added at a ratio of 1: 0.1-0.9: 0.1-0.9, but is not limited thereto.
이와 같은 화학식 1의 화합물을 구성하는 각 성분은 서로 결합하여 층상의 구조를 형성하며, 이들 층상 구조에서 in-plane 상으로는 공유결합을 형성하며, 이들 층(plane)간 결합은 이온결합 및/또는 반데어 바알스 결합을 형성한다.Each of the components constituting the compound of formula (I) combines to form a layered structure. In these layered structures, a covalent bond is formed in-plane, and bonding between these layers is performed by ionic bonding and / To form a Dear Baals bond.
일반적으로 열전도도(ktot)는 ktot=kel+kph와 같이 격자진동에 의한 열전도도(kph)와 전자에 의한 열전도도(kel)로 구별할 수 있으며, 전자 열전도도는 아래 수학식 2와 같이 비데만-프란쯔(Wiedemann-Frantz) 법칙에 의해 전기전도도(ρ)와 온도(T)에 비례하기 때문에 전자 열전도도는 전기전도도의 종속변수이다. In general, the thermal conductivity (k tot ) can be distinguished from the thermal conductivity (k ph ) by the lattice vibration and the thermal conductivity (k el ) by electrons such as k tot = k el + k ph , Electron thermal conductivity is a dependent variable of electrical conductivity because it is proportional to electrical conductivity (ρ) and temperature (T) according to the Wiedemann-Frantz law as shown in equation (2).
[수학식 2]&Quot; (2) "
Kel=LT/ρ K el = LT / ρ
여기서, T는 온도이고, ρ는 전기전도도이며, L = 2.44 X 10-8ΩW/K2이고, K는 절대온도이다. Where T is the temperature, ρ is the electrical conductivity, L = 2.44 × 10 -8 ΩW / K 2 , and K is the absolute temperature.
따라서 좋은 열전재료는 낮은 격자 열전도도를 가져야 하며 이는 격자 구조의 제어를 통해 얻을 수 있다.Therefore, a good thermoelectric material should have a low lattice thermal conductivity, which can be obtained by controlling the lattice structure.
상기 화학식 1의 화합물에 B성분 부족분이 생성되게 되면 전류밀도가 증가하고 증가한 전류밀도는 주변 원자들과의 상호작용으로 격자를 왜곡시켜 열전도도를 감소시키게 된다. 상기 격자 왜곡은 전자와 격자진동의 강한 상호작용으로 인해 발생하고, 열전도도를 저감시키는 역할을 수행하게 된다.When the B component deficiency is generated in the compound of
따라서, 상기 화학식 1의 화합물에서 in-plane 방향의 각 층은 격자 왜곡이 존재하는 상태에서 공유결합에 의해 강한 결합을 형성하고, 층간 결합, 즉 out-of-plane 방향으로는 이온결합 또는 반데르바알스 결합을 하여 약한 결합을 형성하고 있으므로, out-of-plane 방향으로는 포논(phonon)의 전달이 어렵고, in-plane 에서는 격자왜곡으로 인해 in-plane과 out-of-plane 방향으로 모두 열전도도가 낮아지게 된다. 예를 들어 상기 화학식 1의 화합물은 상온에서 2 W/mK이하의 열전도도를 나타내는 것이 가능하다.Therefore, in the compound of
또한 상기 화학식 1의 화합물은 도 3에 나타낸 바와 같이 A성분, 예를 들어 In이 1차원적으로 배열되는 특성을 가지므로 이들에 의해 저차원 전도특성을 나타내게 되어 제벡계수 특성도 향상되는 효과를 갖게 된다.As shown in FIG. 3, the compound of
일반적으로 저차원 전도특성을 가질수록 페르미 레벨에서 에너지 상태밀도가 높아진다고 알려져 있고, 에너지 상태밀도(density of state)가 뾰족한 특이점을 가지면 하기의 수학식 3과 같이 제벡계수가 증대하게 된다.In general, it is known that the energy state density at the Fermi level increases as the low dimensional conduction characteristic is obtained. If the energy state density has a singular singularity, the SbcEk coefficient increases as shown in Equation (3) below.
[수학식 3]&Quot; (3) "
식중, S는 제벡계수, ε은 에너지, EF는 페르미 에너지를 나타낸다.Where S is the Seebeck coefficient, ε is the energy, and E F is the Fermi energy.
상기 화학식 1의 화합물은 그 격자 구조 내에서 저차원적인 전기 특성을 가짐에 따라 페르미 레벨에서 에너지 상태밀도가 높아지고, 이와 같은 높아진 에너지 상태밀도에 높은 제벡계수를 갖게 된 것으로 해석할 수 있다.As the compound of
따라서 본 발명의 일실시예에 따른 상기 화학식 1의 화합물은 낮은 열전도도를 나타냄과 동시에 전자의 저차원의 전도특성으로 인해 제벡계수가 증가하게 된다. 따라서 열전재료로서 요구되는 특성을 만족시키게 된다.Accordingly, the compound of
상술한 화학식 1의 조성을 갖는 화합물은 상술한 바와 같은 격자 왜곡을 포함하면서 단결정 또는 다결정의 결정구조를 가질 수 있다. 상기 화학식 1의 조성을 갖는 화합물을 열전재료로 사용시 이와 같은 단결정 및 다결정의 결정 구조는 상기 열전재료의 특성에 영향을 미칠 수 있게 된다.The compound having the above-described formula (1) may have a single crystal or polycrystal structure including lattice distortion as described above. When a compound having the composition of
또한, 상기 화학식 1의 조성을 갖는 화합물을 열전재료로 사용하는 경우, 이들은 소정 형상으로 절단되어 사용하게 되는 바, 그 절단 방향에 따라 다른 특성을 가질 수 있다. 예를 들어 상기 화합물이 단결정 구조를 갖는 경우, 열전소자 형성시 그 절단 방향이 성장방향에 수직 방향인 것이 바람직하다.When a compound having the composition of
이와 같은 화학식 1의 화합물의 합성방법은 다결정 합성법과 단결정 성장법으로 나뉜다.The synthesis method of the compound of formula (1) is divided into a polycrystalline synthesis method and a single crystal growth method.
먼저 다결정 합성법을 보면 앰플(Ampoule) 이용법, 아크 용융(Arc melting)법, 고상 반응법(Solid state reaction) 등이 있으며 이들을 간단히 설명하면 다음과 같다.First, in the polycrystalline synthesis method, there are Ampoule method, Arc melting method, Solid state reaction and the like.
(1) 앰플(Ampoule) 이용법 : 원료원소를 석영관 또는 금속으로 만든 앰플에 넣고 진공으로 밀봉하여 열처리하는 단계를 포함하는 방법;(1) Method of Using Ampoule: The raw material element is put into an ampoule made of a quartz tube or metal, followed by vacuum sealing and heat treatment;
(2) 아크 용융(Arc melting)법: 원료원소를 챔버에 넣고 비활성기체 분위기 속에서 아크를 방전시켜 원료원소를 녹여 시료를 만드는 단계를 포함하는 방법;(2) Arc melting method: A method comprising the steps of placing a raw material element in a chamber and discharging an arc in an inert gas atmosphere to melt the raw material element to prepare a sample;
(3) 고상 반응법(Solid state reaction): 분말을 잘 섞어 단단하게 가공한 뒤 열처리하거나, 혼합분말을 열처리한 다음 가공하고 소결하는 단계를 포함하는 방법.(3) Solid state reaction: A method comprising a step of hardly mixing powders and then heat-treating them, or heat-treating the mixed powders, followed by processing and sintering.
또한, 나머지 하나는 단결정 성장법을 보면, 금속 플럭스(Metal flux) 법, 브릿지맨(Bridgeman) 법 등이 있으며, 이들을 간단히 설명하면 다음과 같다.The other one is the metal flux method and the Bridgeman method in the case of the single crystal growth method, and they are briefly described as follows.
(1) 금속 플럭스(Metal flux) 법: 원료원소와 원료원소가 고온에서 결정으로 잘 성장할 수 있도록 분위기를 제공하는 원소를 도가니에 넣고 고온에서 열처리하여 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 방법;(1) Metal flux method: A method comprising a step of growing a crystal by introducing an element which provides an atmosphere so that a raw material element and a raw material element can grow well at a high temperature into a crucible and then heat-treating the raw material at high temperature;
(2) 브릿지맨(Bridgeman) 법: 원료원소를 도가니에 넣고 도가니 끝 쪽에서 원료원소가 용해 될 때까지 고온으로 가열한 다음, 고온영역을 천천히 이동시켜 시료를 국부적으로 용해시키면서 시료 전체를 고온영역으로 통과하게 하여 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 방법;(2) Bridgeman method: The raw material element is placed in a crucible, heated at a high temperature until the raw material element dissolves at the end of the crucible, and slowly moved in a high temperature region to dissolve the sample locally, And allowing the crystal to grow;
(3) 광학 유동 영역법(Optical floating zone): 원료원소를 막대 형상으로 씨드 로드(seed rod)와 피드(feed rod)로 만든 다음 피드 로드를 램프의 빛을 한 초점에 모아 국부적으로 고온으로 시료를 용해시키면서 용해부분을 위쪽으로 천천히 끌어올려 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 방법;(3) Optical floating zone: The raw material element is made into a rod rod and seed rod and feed rod. Then, the feed rod is focused on the light of the lamp and focused on the sample at a locally high temperature. And slowly pulling up the dissolution part upward to grow crystals;
(4) 증기 전송(Vapor transport) 법: 원료원소를 석영관 아래쪽에 넣고 원료원소 부분을 가열하고 석영관 위쪽은 낮은 온도로 두어 원료원소가 기화되면서 낮은 온도에서 고상반응을 일으키며 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 방법.(4) Vapor transport method: The raw material element is placed under the quartz tube, the raw material element is heated, the upper part of the quartz tube is kept at a low temperature, the raw material element is vaporized, ≪ / RTI >
본 발명의 일실시예예에 따르면, 상술한 다양한 방법 중 어느 것이나 제한없이 사용하여 상기 화학식 1의 화합물을 제조할 수 있으며, 특별한 제한은 없다.According to one embodiment of the present invention, any of the various methods described above can be used without any limitation to produce the compound of
본 발명의 일실시예에 따른 화학식 1의 화합물을 제조하는 상기와 같은 공정에서, 선택적인 원소도핑을 통해 전류밀도를 최적화시킴으로써 전자와 홀이 공존하는 2밴드 전도(2 band conduction)가 일어나는 경우, 전자 또는 홀 중 하나만 전도특성이 일어나게 함으로써 파워팩터가 크고 열전도도가 매우 작은 열전재료를 만들게 된다.In the above process for preparing the compound of
이와 같은 도핑원소의 도핑 공정은 상기 다결정 성장법 혹은 단결정 성장법 중 원료원소의 일부로서 첨가하여 행해질 수 있다.The doping process of the doping element may be performed by adding the doping element as a part of the raw material element in the polycrystalline growth method or the single crystal growth method.
한편 상기 도핑원소의 도핑 공정 외에 다결정 화합물의 경우 추가적으로 고밀도화 공정을 수행하는 것도 가능하다. 이와 같은 고밀도화 공정에 의해 추가적인 전기전도도의 개선이 가능해진다.On the other hand, in addition to the doping process of the doping element, the polycrystalline compound may be further subjected to a densification process. Such a high-density process makes it possible to further improve the electrical conductivity.
상기 고밀도화 공정으로서는 하기 3가지 공정을 예로 들 수 있다:Examples of the high-density process include the following three processes:
(1) 핫 프레스법: 대상체인 분말 화합물을 소정 형상의 몰드에 가하고 고온, 예를 들어 300 내지 800℃ 및 고압, 예를 들어 30 내지 300 MPa에서 성형하는 방법;(1) Hot pressing method: a method in which a target powder compound is added to a mold of a predetermined shape and molded at a high temperature, for example, 300 to 800 DEG C and a high pressure, for example, 30 to 300 MPa;
(2) 스파크 플라즈마 소결법: 대상체인 분말 화합물에 고전압 전류, 예를 들어 50 내지 500 A를 통전하여 짧은 시간에 재료를 소결하는 방법; (2) Spark plasma sintering method: a method of sintering a material in a short time by applying a high voltage current, for example, 50 to 500 A, to the powdered compound as a target chain;
(3) 핫 포징법: 대상체인 분말에 가압성형시 고온, 예를 들어 300 내지 700℃을 가하여 압출소결하여 가공하는 방법.(3) Hot Forging Method: A method of extruding and sintering a target chain powder by applying a high temperature, for example, 300 to 700 占 폚 under pressure molding.
상기 고밀도화 공정에 의해 상기 열전재료는 이론밀도의 70 내지 100%에 달하는 밀도를 갖게 되며, 바람직하게는 95 내지 100%의 밀도를 갖게 되고, 그에 따라 보다 증가된 이온 전도도를 나타내게 된다.By the densification step, the thermoelectric material has a density of 70 to 100% of the theoretical density, preferably 95 to 100% of density, thereby exhibiting an increased ionic conductivity.
상술한 바와 같은 화학식 1의 화합물은 격자구조의 제어를 통해 낮은 열전도도를 나타냄과 동시에, 선택적인 도핑 처리에 의해 전자 및 홀을 주입하여 전자-홀의 제벡계수 상쇄현상을 개선시켜 제벡계수를 증대시키고 전류밀도를 최적화하여 전기전도성이 개선될 수 있으므로 높은 열전성능을 기대할 수 있다. 따라서 우수한 열전재료로서 용도를 갖게 된다.The compound of formula (1) as described above exhibits low thermal conductivity through control of the lattice structure and at the same time injects electrons and holes by selective doping treatment to improve the bekking coefficient offset phenomenon of the electron-hole to increase the bekking coefficient A high thermoelectric performance can be expected since the electric conductivity can be improved by optimizing the current density. Therefore, it has an application as an excellent thermoelectric material.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 열전재료를 절단 가공 등의 방법으로 성형하여 얻어지는 열전 소자(thermoelectric element)를 제공한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a thermoelectric element obtained by molding a thermoelectric material by a method such as cutting.
상기 열전 소자는 p형 열전 소자 또는 n형 열전 소자일 수 있다. 이와 같은 열전 소자는 열전재료를 소정 형상, 예를 들어 직육면체의 형상으로 형성한 것을 의미한다.The thermoelectric element may be a p-type thermoelectric element or an n-type thermoelectric element. Such a thermoelectric element means that the thermoelectric material is formed into a predetermined shape, for example, a rectangular parallelepiped shape.
한편, 상기 열전 소자는 전극과 결합되어, 전류 인가에 의해 냉각 효과를 나타낼 수 있는 소자 또는 온도차에 의해 발전 효과를 나타낼 수 있는 소자일 수 있다.On the other hand, the thermoelectric element may be an element capable of exhibiting a cooling effect by being applied with a current, or an element capable of exhibiting a power generation effect by a temperature difference.
실시예Example
본 발명의 일실시예를 위하여 열전소자용 화합물 In4Se2.7과 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03을 다음과 같은 방법으로 다결정법을 이용하여 합성하였다. For the embodiment of the present invention, thermoelectric compound In 4 Se 2.7 and In 3 .9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 were synthesized by the following method using a polycrystalline method.
① In, Se, Ba 원소와 InSe3 분말을 조성비에 따라 각각 칭량하고 수정관에 넣고 진공 봉입한다. ① In, Se, and Ba elements and InSe 3 powder are weighed according to composition ratio, put into a quartz tube, and vacuum sealed.
② 1100 oC에서 24 시간, 560oC에서 24 시간 열처리한다.② Heat treatment at 1100 o C for 24 hours and at 560 o C for 24 hours.
③ 균일한 조성비를 위하여 잉곳을 아게이트 유발(agate mortar)에 넣고 분말로 만든 다음 다시 수정관에 넣고 560oC에서 24 시간 열처리한다.③ For the uniform composition ratio, the ingot is put into agate mortar and powdered, then put into a quartz tube and heat-treated at 560 ° C for 24 hours.
④ 잉곳을 다시 agate mortar에 넣고 분말로 만든 후 분말을 탄소몰드에 넣고 450oC의 온도에서 70MPa의 압력하에 5분간 스파크 플라즈마 소결 공법(spark plasma sintering)을 수행하여 소결체를 제작한다.(4) The ingot is put into agate mortar again, powder is put into the carbon mold, and spark plasma sintering is carried out at 450 o C under a pressure of 70 MPa for 5 minutes to produce a sintered body.
⑤ 소결체를 표준 규격에 맞게 가공하여 열전물성을 측정한다. (5) Measure the thermal conductivity by processing the sintered body according to the standard specifications.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소재 In4Se2.7(420)과 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03(410)의 온도에 따른 전기저항(ρ)을 나타내는 그림이다. 부연하면, 위에서 기술한 다결정법으로 만들어진 In4Se2.7과 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03의 다결정 온도에 따른 전기저항을 나타는 그림이다. 4 is a graph showing an electric resistance (ρ) according to temperature of thermoelectric materials In 4 Se 2.7 (420) and In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 (410) according to an embodiment of the present invention. In addition, the In 4 Se 2.7 and In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 The figure shows the electrical resistance according to the polycrystalline temperature.
도 4를 참조하면, In4Se2.7(420)의 경우 온도가 감소함에 따라 전기저항이 증가하는 경향을 보여 반도체 특성을 보여주고 있으나 Ba과 Cl을 도핑한 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03 시료(410)는 전기저항이 크게 낮아졌다.Referring to FIG. 4, the In 4 Se 2.7 (420) shows a tendency to increase in electrical resistance as the temperature decreases. However, the In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 sample doped with Ba and Cl 410) significantly lowered the electrical resistance.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소재 In4Se2.7(420)과 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03(410)의 온도에 따른 제벡계수(S)를 나타내는 그림이다. 도 5를 참조하면, 보는 바와 같이 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03의 제벡계수는 In4Se2.7에 비해 작아졌으며 이는 Ba과 Cl을 도핑하여 금속성이 증가했기 때문으로 이해된다. FIG. 5 is a graph showing a Seebeck coefficient (S) according to temperature of thermoelectric material In 4 Se 2.7 (420) and In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 (410) according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, as can be seen, the Seebeck coefficient of In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 is smaller than that of In 4 Se 2.7 , which is understood to be due to the increase of metallicity by doping Ba and Cl.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소재 In4Se2.7(420)과 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03(410)의 온도에 따른 파워팩터(S2σ)를 나타내는 그림이다. 도 6을 참조하면, 전기저항과 제벡계수 측정으로부터 얻어진 파워팩터 결과로써 Ba과 Cl도핑에 의해 전기저항이 크게 감소하여 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03(410)의 파워팩터(S2σ)는 도핑하지 않은 시료에 비해 증가한 것으로 나타났다.6 is a graph showing a power factor (S 2 σ) according to temperature of the thermoelectric material In 4 Se 2.7 (420) and In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 (410) according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, as a result of the power factor obtained from the measurement of electric resistance and the Seebeck coefficient, the electrical resistance is greatly reduced by Ba and Cl doping, and the power factor (S 2 σ) of In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 Compared with samples not doped.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소재 In4Se2.7(420)과 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03(410)의 온도에 따른 열전도도(k)를 나타내는 그림이다. 도 7을 참조하면, 열전도도 결과로써 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03(410)의 열전도도(k)는 550K이하 상온 근처에서는 In4Se2.7보다 높지만 고온으로 갈수록 열전도도가 감소하여 600K 이상에서는 열전도도가 더 낮아졌다. 이에 따라, 도 8과 같은 결과를 볼 수 있다.FIG. 7 is a graph showing the thermal conductivity (k) of thermoelectric materials In 4 Se 2.7 (420) and In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 (410) according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, as a result of the thermal conductivity, the thermal conductivity (k) of In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 (410) is higher than that of In 4 Se 2.7 at room temperature below 550 K, The thermal conductivity was lower. Accordingly, the results shown in Fig. 8 can be seen.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소재 In4Se2.7(420)과 In3.9Ba0.1Se2.7Cl0.03(410)의 온도에 따른 무차원 성능지수(ZT)값을 나타내는 그림이다. 도 8을 참조하면, ZT값은 In4Se2.7에 비해 Ba과 Cl을 도핑하여 680K에서 1.3배 증가하였다. FIG. 8 is a graph showing the dimensionless figure of merit (ZT) according to the temperature of thermoelectric material In 4 Se 2.7 (420) and In 3.9 Ba 0.1 Se 2.7 Cl 0.03 (410) according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8, the ZT value was increased 1.3 times at 680K by doping Ba and Cl compared to In 4 Se 2.7 .
100: p-type 재료
110: n-type 재료
120: 외부전원
200: 외부열원100: p-type material
110: n-type material
120: External power source
200: external heat source
Claims (21)
(화학식 1)
(A1-aA' a)4-x(B1-bB' b)3-y H δ
상기 식에서,
상기 A는 13족 원소이며, A'는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 중 하나로부터 선택된 원소이고,
상기 B 및 B'은 서로 상이하고, 상기 B는 S, Se, Te 중 하나의 원소이며, B'은 14족, 15족, 16족 원소 중 하나를 선택한 원소이고,
상기 H는 할로겐 원소 중 하나를 선택한 원소이고,
상기 a는 0≤a<1이고,
상기 b는 0≤b<1이고,
상기 x는 0<x<1이고,
상기 y는 0<y<1이고,
상기 δ는 0≤δ<0.1이며,
상기 화합물은 2차원의 층상 구조를 가지며, 인-플레인(in-plane) 방향으로는 공유결합을 형성하며, 층간 결합은 이온 결합 및 반데르 바알스(Van der Waals) 결합 중 적어도 하나를 형성한다.A compound to which alkali and alkaline earth metal for thermoelectric elements having a composition represented by the following formula (1) is added:
(Formula 1)
(A 1-a A ' a ) 4-x (B 1 -b B ' b ) 3-y H δ
In this formula,
Wherein A is a Group 13 element, A 'is an element selected from the group consisting of an alkali metal or an alkaline earth metal,
B and B 'are different from each other, B is one element of S, Se and Te, B' is an element selected from one of Group 14, Group 15 and Group 16 elements,
H is an element selected from one of halogen elements,
Wherein a is 0? A <1,
B is 0? B <1,
X is 0 < x < 1,
Y is 0 < y < 1,
The delta is 0?? <0.1,
The compound has a two-dimensional layer structure, forms a covalent bond in the in-plane direction, and the interlayer bond forms at least one of an ionic bond and a Van der Waals bond .
상기 A가 In 또는 Ga인 것을 특징으로 하는 알칼리 및 알칼리 토금속이 첨가된 화합물.The method according to claim 1,
Wherein A is In or Ga.
상기 A'는 Ba, Sr, Ca, Na, Li으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상인 것인 것을 특징으로 하는 알칼리 및 알칼리 토금속이 첨가된 화합물.
The method according to claim 1,
Wherein A 'is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, Na, and Li.
아웃 오브 플레인(out of plane) 방향으로는 배향성을 갖는 것을 특징으로 하는 알칼리 및 알칼리 토금속이 첨가된 화합물.The method according to claim 1,
Wherein the alkali and alkaline earth metal have an orientation in an out-of-plane direction.
인-플레인(in-plane) 방향으로는 격자 왜곡(lattice distortion)을 갖는 것을 특징으로 하는 알칼리 및 알칼리 토금속이 첨가된 화합물.
The method according to claim 1,
Wherein the alkali and alkaline earth metals have lattice distortion in the in-plane direction.
전류밀도가 1016개/cm3내지 1020개/cm3이면 특정 영역에서 전자와 주변 원자들과의 강한 상호작용으로 상기 화합물의 격자 왜곡이 발생하는 것을 특징으로 하는 알칼리 및 알칼리 토금속이 첨가된 화합물.
The method according to claim 1,
If the current density of 10 16 / cm 3 to 10 20 / cm 3 of the strong interactions with the electrons and the surrounding atoms alkali and alkaline earth metals, characterized in that the lattice strain of the compound occurs in a particular area is added compound.
상기 전류 밀도를 증가시키는 방식은, 공정상의 조건을 변화시켜 물성을 변화시키는 방식, 도핑 원소를 첨가하는 방식, 또는 흠결(defect)을 유도하는 방식 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 알칼리 및 알칼리 토금속이 첨가된 화합물.
9. The method of claim 8,
The method of increasing the current density may be any one of a method of changing physical properties by changing process conditions, a method of adding a doping element, or a method of inducing a defect. The alkali and alkaline earth metal ≪ / RTI >
상기 A는 격자 구조 내에서 일차원적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 알칼리 및 알칼리 토금속이 첨가된 화합물.
The method according to claim 1,
Wherein A is one-dimensionally arranged in the lattice structure, wherein the alkali and alkaline earth metal are added.
기본 성분인 상기 A 및 B에 도핑성분인 A' 또는 B'가 선택적으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 알칼리 및 알칼리 토금속이 첨가된 화합물.
12. The method of claim 11,
Characterized in that A 'or B', which is a doping component, is selectively added to the basic components A and B, to which an alkali and an alkaline earth metal are added.
A thermoelectric material produced by the polycrystalline synthesis method or the single crystal growth method according to any one of claims 1 to 3, 6 to 9, 11, and 12.
상기 다결정 합성법은 앰플(Ampoule) 이용법, 아크 용융(Arc melting)법, 및 고상 반응법(Solid state reaction) 중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 열전 재료.
16. The method of claim 15,
Wherein the polycrystalline synthetic method is any one of an ampoule method, an arc melting method, and a solid state reaction.
상기 단결정 성장법은, 금속 플럭스(Metal flux) 법, 브릿지맨(Bridgeman) 법, 광학 유동 영역법(Optical floating zone), 및 증기 전송(Vapor transport) 법 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열전 재료.
16. The method of claim 15,
Wherein the single crystal growth method is any one of a metal flux method, a Bridgeman method, an optical floating zone method, and a vapor transport method.
열전소자 형성시 그 절단 방향이 성장방향에 수직 방향인 것을 특징으로 하는 열전 재료.
18. The method of claim 17,
Wherein the thermoelectric element is cut perpendicularly to the growth direction when the thermoelectric element is formed.
상기 앰플(Ampoule) 이용법, 아크 용융(Arc melting)법, 및 고상 반응법(Solid state reaction) 중 어느 하나의 다결정 합성법에 의하여 제조된 열전 재료를 핫 프레스법, 스파크 플라즈마 소결법, 및 핫 포징법 중 어느 하나의 고밀도화 공정을 이용하여 추가적으로 고밀도화시킨 것을 특징으로 하는 열전 재료.17. The method of claim 16,
The thermoelectric material produced by any one of the above-mentioned polycrystalline synthesis method of using an ampoule, an arc melting method and a solid state reaction is subjected to hot pressing, spark plasma sintering, Wherein the thermoelectric material is further densified using any one of the high-density processes.
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