KR101514233B1 - Manufacturing method for thermoelectric material of solid solution and thermoelectric material - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric material. The method includes the steps of: preparing powder of Mg_2Si and Mg_2Ge raw materials; mixing the powder of the raw materials at a nonstoicheiometric composition ratio; and synthesizing Mg_2Si and Mg_2Ge in a solid phase by making the mixed power of the raw material react in a solid phase by heat treatment. Mg_2Si and Mg_2Ge, synthesized in the step of solid-phase synthesis, are mixed in a solid solution phase. The thermoelectric material is obtained by mixing Mg_2Si and Mg_2Ge in a solid solution phase and thus can increase thermoelectric performance. The thermoelectric material is produced by making the power of the raw materials in a solid phase react. According to the method of the present invention, the thermoelectric material in which Mg_2Si and Mg_2Ge are mixed in a solid solution phase can be manufactured by only a process of making the powder of the raw materials react in a solid phase. Therefore, the thermoelectric material with increased performance can be manufactured at low costs.

Description

고용체 열전재료의 제조방법 및 열전재료{MANUFACTURING METHOD FOR THERMOELECTRIC MATERIAL OF SOLID SOLUTION AND THERMOELECTRIC MATERIAL}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method for manufacturing a solid solution thermoelectric material,

본 발명은 열전재료의 제조방법 및 열전재료에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 열전성능이 향상된 Mg2X계 열전재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a thermoelectric material and a thermoelectric material, and more particularly to a Mg 2 X thermoelectric material with improved thermoelectric performance and a method of manufacturing the same.

일반적으로 500K에서 800K까지의 중온 영역에서 우수한 열전특성을 보이는 Mg2X (X = Si, Ge, Sn)는 성분원소가 독성이 없고, 매장량이 많아 친환경적이고 경제적인 열전 재료로 각광받고 있다.In general, Mg 2 X (X = Si, Ge, and Sn), which exhibits excellent thermoelectric properties in the mid-temperature range from 500K to 800K, is not toxic to the elements and has a large amount of reserves, and is attracting attention as an eco-friendly and economical thermoelectric material.

열전재료의 성능지수(figure of merit, Z = α2σ/κ)를 향상시키기 위해서는 높은 제벡계수(Seebeck coefficient, α)와 전기전도도(electrical conductivity, σ), 그리고 낮은 열전도도(thermal conductivity, κ)가 필수적이며, 재료인자 β= (m*/me)3/2μκL -1 (m* 는 density-of-states effective mass이고, me 는 the mass of electron이고, μ 는 the carrier mobility이며, κL 는 the lattice thermal conductivity이다.)에 의존하므로 결과적으로 높은 성능지수를 얻기 위해서는 낮은 열전도도(thermal conductivity)와 높은 캐리어 이동도(carrier mobility)를 가져야 한다. 열전재료의 β를 비교해 보면, SiGe는 1.2~2.6, FeSi2는 0.05~0.8인데 비해 Mg2X는 3.7~14의 높은 값을 가지며, 또한 전기비저항의 감소와 함께 포논 스캐터링(phonon scattering)에 의한 열전도도의 감소를 기대해 볼 수 있다.In order to improve the figure of merit (Z = α2σ / κ) of thermoelectric materials, high Seebeck coefficient, α, electrical conductivity, and low thermal conductivity required, and, a material factor β = (m * / m e ) 3/2 μκ L -1 (m * is the density-of-states effective mass, m e is the mass of electron, μ is the carrier mobility, κ L is the lattice thermal conductivity). Consequently, it is necessary to have low thermal conductivity and high carrier mobility in order to obtain a high performance index. Comparing β of thermoelectric materials, SiGe has a value of 1.2 to 2.6 and FeSi 2 has a value of 0.05 to 0.8, whereas Mg 2 X has a high value of 3.7 to 14. In addition, it has phonon scattering with decreasing electrical resistivity The thermal conductivity can be reduced.

이에 따라서 Mg2X계 열전재료의 열전성능을 향상시키는 방법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.As a result, studies for improving the thermoelectric performance of Mg 2 X based thermoelectric materials have been actively conducted.

한편, 높은 열전성능지수를 가진 물질 중에 현재 많이 사용되고 있는 물질은 Bi2Te3 및 그의 고용체(solid solution)물질들이다. 특히 고용체 열전재료의 경우에는 점 결함에 의한 포논 스캐터링의 영향으로 열전도도가 감소하여 성능지수를 향상시킬 수 있는 효과가 있으나, 균일한 고용체를 형성하지 못하여 편석이 발생하는 경우에는 오히려 열전성능이 크게 감소하는 문제가 있기 때문에 균일한 고용체를 형성하려는 기술이 개발되고 있다.(등록특허 제10-0440268호)On the other hand, Bi 2 Te 3 and its solid solution materials are currently used among materials having a high thermoelectric performance index. Particularly, in the case of solid-state thermoelectric materials, the thermal conductivity decreases due to the influence of the phonon scattering due to the point defect, thereby improving the figure of merit. However, when segregation occurs, There is a problem that a uniform solid solution is formed. (Registration No. 10-0440268)

또한, Mg2X계 열전재료에 대해서도 고용체 열전재료를 제조하려는 노력이 이어지고 있으나, Mg가 산화하는 특성과 원료물질들의 녹는점이 일정하지 않은 등의 이유로 만족할만한 특성을 갖는 고용체 열전재료를 제조하지 못하고 있는 실정이다.In addition, although efforts have been made to produce solid solution thermoelectric materials for Mg 2 X based thermoelectric materials, solid solution thermoelectric materials having satisfactory characteristics due to the oxidation characteristics of Mg and the unstable melting points of raw materials have not been manufactured In fact.

등록특허 제10-0440268호Registration No. 10-0440268

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 열전성능이 향상된 Mg2X계 열전재료 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a Mg 2 X thermoelectric material having improved thermoelectric performance and a method of manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위한 열전재료의 제조방법은, Mg2Si와 Mg2Ge의 원료물질 분말을 준비하는 단계; 상기 원료물질 분말을 화학양론적 조성비에 따라 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 원료물질 분말을 열처리를 통해 고체 상태에서 반응시켜 Mg2Si와 Mg2Ge를 고상합성하는 단계;를 포함하며, 상기 고상합성하는 단계에서 합성된 Mg2Si와 Mg2Ge가 고용체 상태로 혼합되는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a thermoelectric material, comprising: preparing a raw material powder of Mg 2 Si and Mg 2 Ge; Mixing the raw material powders according to a stoichiometric composition ratio; And a step of solid-phase synthesis of Mg 2 Si and Mg 2 Ge by reacting the mixed starting material powder in a solid state through heat treatment, wherein Mg 2 Si and Mg 2 Ge synthesized in the solid- And the like.

고용체(solid solution)는 고체의 결정 속에 다른 원소의 원자 또는 분자가 혼입해서 균일하게 분포하여, 어느 부분에서나 동일한 조성을 보이는 용액의 경우와 같은 상태로 된 것을 말한다.A solid solution is a state in which atoms or molecules of other elements are uniformly distributed in a crystal of a solid and are in the same state as a solution having the same composition in any part.

Mg2Si와 Mg2Ge는 모두 Mg의 화합물로서 열전성능을 나타내는 물질이지만, 조성설계 및 구조와 성능을 조절하는 것에 어려움이 있고, Mg가 산화하거나 휘발하는 특성이 있으며, Mg, Si, Ge의 녹는점(melting point)이 일정하지 않아 중력으로 인한 편석과 반응하지 않은 원소들이 나타나게 되는 등의 문제로 인하여 고용체를 제조하기 어려우며, 따라서 Mg2Si와 Mg2Ge의 고용체로 구성된 열전재료를 제조하는 기술은 사용되지 않고 있었다.Mg 2 Si and Mg 2 Ge are both compounds of Mg and exhibit thermoelectric performance. However, it is difficult to control the composition, structure and performance of Mg, Si, and Ge. It is difficult to produce a solid solution due to the problem that segregation due to gravity and unreacted elements appear due to a constant melting point, and therefore, a thermoelectric material composed of a solid solution of Mg 2 Si and Mg 2 Ge is manufactured Technology has not been used.

본 발명의 발명자들은 고상반응법으로 Mg2Si와 Mg2Ge의 고용체 상태에 있는 열전재료를 제조하는 방법을 발명하였다. 물론, 고체 상태의 물질을 반응시키는 고상반응법은 종래에도 사용되던 공정이지만, Mg와 Si 및 Ge의 원료물질 분말을 혼합한 뒤에 고상반응을 수행하는 경우에 Mg2Si와 Mg2Ge가 각각 형성될 뿐만 아니라 이들이 자연적으로 고용체를 구성하여 열전재료의 성능이 향상되는 점은 종래에는 예측하지 못하였던 내용이다.The inventors of the present invention invented a method for producing a thermoelectric material in a solid solution state of Mg 2 Si and Mg 2 Ge by a solid phase reaction method. Of course, the solid-phase reaction method of reacting a solid material is a process that has been used in the past, but Mg 2 Si and Mg 2 Ge are formed when the solid phase reaction is performed after mixing the raw material powders of Mg, Si and Ge And that the thermoelectric material performance is improved by constructing a solid solution of these materials naturally is unpredictable in the past.

이때, 고상합성하는 단계는 773~973K의 온도범위에서 1~10 시간동안 수행되는 것이 바람직하다. 이들 범위보다 낮은 온도에서 짧은 시간동안 고상합성하는 경우에는 Mg2Si와 Mg2Ge가 완전하게 합성되지 않아서 고용체를 형성할 수 없으며, 이 범위보다 높은 온도에서 오랜 시간동안 고상합성하는 경우에는 제조비용이 향상되는 단점이 있고, 더 심할 경우에는 제2상이 형성되거나 Mg가 산화 또는 휘발하는 문제가 있다.At this time, it is preferable that the solid-phase synthesis step is performed for 1 to 10 hours in a temperature range of 773 to 973K. When the solid phase synthesis is carried out at a temperature lower than the above range for a short time, Mg 2 Si and Mg 2 Ge are not completely synthesized and solid solution can not be formed. When the solid phase synthesis is carried out at a temperature higher than this range for a long time, There is a problem that the second phase is formed or Mg is oxidized or volatilized.

고상합성에 의해서 분말형태로 제조된 고용체 열전재료는 진공상태에서 열간압축하여 성형할 수 있으며, 이러한 열간압축 성형은 10~100MPa의 압력과 973~1173K 의 온도 범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 이러한 범위보다 낮은 압력과 온도에서 열간압축하는 경우에는 원하는 밀도로 성형할 수 없으며, 이 범위보다 높은 압력과 온도에서 열간압축하는 경우에는 제조비용이 높아지고 제2상이 형성되는 등의 문제가 발생한다.The solid solution thermoelectric material prepared by solid phase synthesis may be formed by hot compression in a vacuum state. The hot compression molding is preferably performed at a pressure of 10 to 100 MPa and a temperature range of 973 to 1173K. In the case of hot compression at a pressure and a temperature lower than this range, it can not be molded at a desired density. In the case of hot compression at a pressure and temperature higher than this range, manufacturing cost increases and a second phase is formed.

또한 고상합성 단계를 수행하기에 앞서서 혼합된 원료물질 분말을 냉간압축하는 것이 좋으며, 이러한 냉간압축은 10~1000MPa의 압력의 범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 냉간압축 공정은 원료물질 분말들이 접촉하는 면적을 넓힘으로써 이후의 고상반응 과정에서 원료물질 분말 사이의 확산을 촉진시키기 위한 것이며, 냉간압축 공정을 수행하지 않는 경우에는 고상반응이 부분적으로 진행되어 전체적으로 균질한 합성 결과를 얻을 수 없고 반응되지 않은 원료물질이 남는 문제가 생길 수 있다. 이 압력보다 낮은 압력에 냉간압축을 수행할 경우에는 냉간압축에 의한 고상반응 및 확산의 촉진 효과를 얻을 수 없으며, 이보다 높은 압력에서 냉간압축을 수행할 경우에는 비용이 높아지는 단점이 있다.Also, it is preferable to perform cold compression of the mixed raw material powder prior to performing the solid phase synthesis step, and the cold compression is preferably performed in a pressure range of 10 to 1000 MPa. The cold compression process is intended to promote the diffusion of the raw material powders in the subsequent solid phase reaction by widening the contact area of the raw material powders. When the cold compression process is not performed, the solid phase reaction partially progresses, A synthesis result can not be obtained and there is a problem that unreacted raw material remains. When cold compression is performed at a pressure lower than this pressure, solid phase reaction and diffusion promotion effect by cold compression can not be obtained, and in case of performing cold compression at a higher pressure, the cost is increased.

나아가 제조된 고용체 열전재료의 전기전도도와 제벡계수를 최적화하기 위하여 도핑원소를 도핑할 수 있으며, 이를 위하여 고상합성하는 단계를 수행하기 전에 도핑원소를 첨가하거나 고상합성하는 단계를 수행한 이후에 도핑원소를 도핑할 수 있다.Further, in order to optimize the electrical conductivity and the Seebeck coefficient of the solid solution thermoelectric material prepared, the doping element can be doped. For this, doping element or solid phase synthesis step is performed before the solid phase synthesis step is performed, Lt; / RTI >

그리고 상기 목적을 달성하기 위한 열전재료는, Mg2Si와 Mg2Ge가 고용체 상태로 혼합된 것을 특징으로 하며, 이러한 열전재료는 원료분말을 고체상태에서 반응시켜서 제조된 것일 수 있다.The thermoelectric material for achieving the above object is characterized in that Mg 2 Si and Mg 2 Ge are mixed in a solid solution state. Such a thermoelectric material may be one produced by reacting a raw powder in a solid state.

이때, Mg2Si와 Mg2Ge가 고용체 상태로 혼합된 열전재료에는 도펀트가 도핑될 수 있으며, 전기전도도와 제벡계수를 최적화하는 도펀트를 도핑함으로써 열전성능을 더욱 향상시킬 수 있다.In this case, a thermoelectric material in which Mg 2 Si and Mg 2 Ge are mixed in a solid solution state can be doped with a dopant, and the thermoelectric performance can be further improved by doping a dopant that optimizes electric conductivity and a Seebeck coefficient.

또한, Mg2Si와 Mg2Ge의 몰 비율이 8:2~4:6인 경우에 고용체 열전재료의 열전성능이 좋다.When the molar ratio of Mg 2 Si to Mg 2 Ge is 8: 2 to 4: 6, the thermoelectric performance of the solid solution thermoelectric material is good.

상술한 바와 같이 구성된 열전재료는, Mg2Si와 Mg2Ge가 고용체 상태로 혼합함으로써, 열전성능을 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.The thermoelectric material constituted as described above has an effect of improving thermoelectric performance by mixing Mg 2 Si and Mg 2 Ge in solid solution state.

또한, 상기한 열전재료의 제조방법은, 원료분말을 혼합하여 고체상태에서 반응시키는 공정만으로 Mg2Si와 Mg2Ge가 고용체 상태로 혼합된 열전재료를 제조할 수 있기 때문에, 낮은 제조비용으로 성능이 향상된 열전재료를 제조할 수 있는 효과가 있다.In addition, since the above-described method for producing a thermoelectric material can produce a thermoelectric material in which Mg 2 Si and Mg 2 Ge are mixed in a solid solution state only by a step of mixing raw material powders and reacting in a solid state, And thus the improved thermoelectric material can be produced.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전재료의 제조공정을 나타낸 순서도이다.
도 2는 고상반응 공정을 수행한 뒤의 분말에 대한 X선 회절분석 결과이다.
도 3은 진공 열간압축성형을 수행한 시편에 대한 X선 회절분석 결과이다.
도 4는 제조된 시편의 격자상수의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5 내지 도 9는 제조된 시편의 미세구조를 촬영한 전자현미경 사진이다.
도 10은 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 전기전도도를 측정한 결과이다.
도 11은 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 제백계수를 측정한 결과이다.
도 12는 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 열전도도를 측정한 결과이다.
도 13은 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 무차원 열전성능지수를 계산한 결과이다.
FIG. 1 is a flowchart showing a manufacturing process of a thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows X-ray diffraction results of the powder after the solid-phase reaction process.
FIG. 3 shows the results of X-ray diffraction analysis of specimens subjected to vacuum hot compression molding.
4 is a graph showing the change in lattice constant of the prepared specimen.
5 to 9 are electron micrographs of the microstructure of the prepared specimen.
10 shows the result of measuring the electrical conductivity according to the temperature of the prepared specimen.
11 shows the result of measuring the whiteness coefficient according to the temperature of the produced specimen.
FIG. 12 shows the result of measuring the thermal conductivity according to the temperature of the produced specimen.
13 shows the results of calculating the dimensionless thermoelectric performance index according to the temperature of the produced specimen.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Referring to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전재료의 제조공정을 나타낸 순서도이다.FIG. 1 is a flowchart showing a manufacturing process of a thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

먼저, 원료물질인 Mg (99.99%, <149㎛), Si (99.99%, <45㎛) 및 Ge (99.99%, <45㎛)의 분말을 준비하였다.First, powders of Mg (99.99%, <149 μm), Si (99.99%, <45 μm) and Ge (99.99%, <45 μm) as raw materials were prepared.

그리고 화학양론적 조성비에 맞추어 Mg2Si와 Mg2Ge의 몰 비율이 각각 3:7, 5:5 및 7:3이 되도록 원료물질 분말을 혼합하였으며, 비교를 위하여 Mg2Si와 Mg2Ge 만으로 구성된 원료분말도 준비하였다.The raw material powders were mixed so that the molar ratios of Mg 2 Si and Mg 2 Ge were 3: 7, 5: 5 and 7: 3 respectively according to the stoichiometric composition ratio. For comparison, only Mg 2 Si and Mg 2 Ge A prepared raw material powder was also prepared.

상기한 비율로 혼합된 원료물질 분말을 600MPa의 압력으로 냉간압축을 수행하였다. 이러한 냉간압축 공정을 수행함으로써, 원료물질 분말들이 접촉하는 면적을 넓힘으로써 이후의 고상반응 과정에서 원료물질 분말 사이의 확산을 촉진시킬 수 있다. 냉간압축 공정을 수행하지 않는 경우에는 고상반응이 부분적으로 진행되어 전체적으로 균질한 합성 결과를 얻을 수 없고, 반응되지 않은 원료물질이 남는 문제가 생길 수 있다.The raw material powder mixed at the above ratio was subjected to cold compression at a pressure of 600 MPa. By performing such a cold compression process, the contact area of the raw material powders can be widened, thereby promoting the diffusion between the raw material powders in a subsequent solid phase reaction process. In the case where the cold compression process is not carried out, the solid-state reaction partially progresses, and as a result, a homogeneous synthesis result as a whole can not be obtained, and unreacted raw material may remain.

다음으로 알루미나 도가니에 장입한 뒤에 773K의 온도에서 6시간 동안 고상반응 공정을 수행하여, Mg2Si와 Mg2Ge를 합성하였다. Next, after filling the alumina crucible, a solid phase reaction process was performed at 773K for 6 hours to synthesize Mg 2 Si and Mg 2 Ge.

합성된 분말을 내경이 10mm인 고강도 흑연 다이에 장입한 뒤에 1073K의 온도에서 70MPa의 압력으로 2시간 동안 진공 열간압축성형을 수행하여 시편을 제조하였다.
The synthesized powder was charged into a high strength graphite die having an inner diameter of 10 mm and vacuum hot compression molding was performed at a pressure of 70 MPa at a temperature of 1073 K for 2 hours to prepare a specimen.

그리고 상기한 과정으로 제조된 시편들에 대하여 다양한 물리적 특성을 측정하였다.
Various physical properties of the specimens prepared by the above process were measured.

도 2는 고상반응 공정을 수행한 뒤의 분말에 대한 X선 회절분석 결과이고, 도 3은 진공 열간압축성형을 수행한 시편에 대한 X선 회절분석 결과이다. 편의에 따라서 제조된 열전재료의 조성을 몰 비율에 따라서 Mg2Si1-xGex(x=0, 0.3, 0.5, 0.7, 1)로 표시하였다.FIG. 2 shows the results of X-ray diffraction analysis of powders after the solid-phase reaction process, and FIG. 3 shows X-ray diffraction analysis results of the specimens subjected to vacuum hot compression molding. The compositions of the thermoelectric materials prepared according to convenience were expressed as Mg 2 Si 1-x Ge x (x = 0, 0.3, 0.5, 0.7, 1) according to the molar ratio.

아래쪽에 표시된 Mg2Si와 Mg2Ge의 표준 회절피크와 비교할 때, 도 2에서는 고상반응 공정을 수행한 분말에서는 Mg2Si 및/또는 Mg2Ge에 해당하는 피크만이 관찰되어 고상반응에 의한 합성이 성공적으로 수행된 것을 확인할 수 있으며, 도 3에서는 진공 열간압축성형을 수행하는 과정에서 다른 2차상이 형성되지도 않은 것을 확인할 수 있다. 이와같이, 본 실시예에서 열처리에 의한 고상반응 공정만으로 Mg2Si와 Mg2Ge가 완전하게 합성된 것은, 열처리에 의한 고상반응을 수행하기에 앞서서 냉간압축 공정을 수행함으로써 원료물질 분만들의 반응 및 확산을 촉진하였기 때문이다.In FIG. 2, only peaks corresponding to Mg 2 Si and / or Mg 2 Ge were observed in the powder subjected to the solid phase reaction as compared with the standard diffraction peaks of Mg 2 Si and Mg 2 Ge shown at the bottom, It can be confirmed that the synthesis is successfully performed. In FIG. 3, it can be seen that no other secondary phase is formed in the process of vacuum hot compression molding. Thus, in the present embodiment, the complete synthesis of Mg 2 Si and Mg 2 Ge only by the solid-phase reaction process by heat treatment is performed by performing the cold compression process prior to the solid-phase reaction by the heat treatment, .

다만, Ge의 첨가량이 많을수록 회절피크가 낮은 쪽으로 조금씩 이동하여, 격자상수가 증가한 것으로 나타났다.However, the larger the amount of Ge added, the smaller the diffraction peak moved to the lower side, and the lattice constant increased.

도 4는 제조된 시편의 격자상수의 변화를 나타낸 그래프이다. 4 is a graph showing the change in lattice constant of the prepared specimen.

도 4는 Mg2Si1-xGex에서 x의 분률, 즉 Ge의 분률을 기준으로 표시한 것이며, Ge 함량이 증가할수록 격자상수가 0.635㎚에서 0.639㎚로 선형적으로 증가하였다. 이는 선행연구들에서 확인된 Mg2Si(0.6352㎚)와 Mg2Ge(0.6392㎚)의 격자상수 범위에 속하는 것이며, 결과적으로 베가드의 법칙을 만족시키고 있는 것으로부터 Mg2Si와 Mg2Ge가 서로 잘 고용된 구조임을 확인할 수 있다.FIG. 4 shows the fraction of x in the Mg 2 Si 1-x Ge x , that is, the fraction of Ge. As the Ge content increases, the lattice constant linearly increases from 0.635 nm to 0.639 nm. This is because it belongs to the lattice constant range of Mg 2 Si (0.6352 nm) and Mg 2 Ge (0.6392 nm) confirmed in the preceding studies, and consequently meets the Begard's law, Mg 2 Si and Mg 2 Ge It can be confirmed that they are well-structured.

결국 고상반응 공정 이후에 합성된 분말 및 진공 열간압축성형 공정을 거친 시편은 모두 Mg2Si와 Mg2Ge의 고용체인 것을 확인할 수 있으며, Mg2Ge이 Mg2Si에 고용됨에 따라 격자상수가 증가하였다.
After all the powder and a specimen subjected to a vacuum heat press molding step synthesis after the solid-phase reaction process is both to check that employ chain of Mg 2 Si and Mg 2 Ge, a lattice constant increases as the Mg 2 Ge is employed in the Mg 2 Si Respectively.

도 5 내지 도 9는 제조된 시편의 미세구조를 촬영한 전자현미경 사진이다. 도 5는 Mg2Si 단독으로 구성된 시편이고, 도 6 내지 도 8은 Mg2Si와 Mg2Ge의 비율이 각각 7:3, 5:5 및 3:7인 시편이며, 도 9는 Mg2Ge 단독으로 구성된 시편이다. 5 to 9 are electron micrographs of the microstructure of the prepared specimen. 5 is a specimen consisting of Mg 2 Si alone, or 6 to 8 Mg 2 Si and Mg 2 Ge ratio is respectively 7: 3, 5: 5 and 3: and the 7 specimens, Figure 9 is Mg 2 Ge It is a single psalm.

진공 열간압축성형을 통해, 모든 시편에서 이론밀도 98%이상의 치밀한 성형체를 얻을 수 있었다. 도 5의 Mg2Si는 어두운 회색을 나타냈고, 도 9의 Mg2Ge는 밝은 회색을 나타냈으며, 도 6 내지 도 8은 Ge의 양에 따라서 밝은 부분과 어두운 부분의 두 개 영역으로 구분된 구조인 것을 확인할 수 있다.Through vacuum hot compression molding, compacts with a theoretical density of 98% or more were obtained in all specimens. The Mg 2 Si of FIG. 5 showed a dark gray, the Mg 2 Ge of FIG. 9 showed a light gray, and FIGS. 6 to 8 show a structure divided into two regions, .

표 1은 도 7에 도시된 시편에서 1로 표시된 밝은 부분과 2로 표시된 어두운 부분에 대하여 EDS분석으로 원소분석을 수행한 결과이다.Table 1 shows the result of elemental analysis by EDS analysis for the bright portion indicated by 1 and the dark portion indicated by 2 in the specimen shown in FIG.

RegionRegion ElementElement Composition (at%)Composition (at%) 1One MgMg 62.262.2 SiSi 3.73.7 GeGe 34.134.1 22 MgMg 67.767.7 SiSi 28.128.1 GeGe 4.24.2

상기 표에 나타난 것과 같이, 1로 표시된 밝은 부분은 Ge가 많이 포함된 부분이고 2로 표시된 어두운 부분은 Si가 많이 포함된 부분임을 확인할 수 있다.As shown in the above table, it can be confirmed that the bright portion indicated by 1 is a portion containing a large amount of Ge and the dark portion indicated by 2 is a portion containing a large amount of Si.

이상의 결과에서 본 실시예에 따라서 제조된 시편은 역형석(antifluorite) 구조를 나타내어 2개의 상이 공존하지만, 각 상은 모두 Mg2Si와 Mg2Ge의 고용체상임을 확인할 수 있으며, 상기한 X선 회절분석 결과에서 확인한 결과와 동일하다.
From the above results, it can be confirmed that the specimen prepared according to this embodiment exhibits an antifluorite structure and two phases coexist, and that each phase is a solid solution solid of Mg 2 Si and Mg 2 Ge, and the X-ray diffraction analysis It is the same as the result confirmed in the result.

표 2는 본 실시예에서 제조된 시편에 대한 실온에서의 전자이동특성을 측정한 결과이다.Table 2 shows the results of measurement of the electron mobility at room temperature for the specimens produced in this example.

SpecimenSpecimen Hall coefficient
(cm3/C)
Hall coefficient
(cm 3 / C)
Mobility
(cm2/Vs)
Mobility
(cm 2 / Vs)
Carrier concentration
(cm-3)
Carrier concentration
(cm -3 )
Mg2SiMg 2 Si -210.6-210.6 104104 3.0ㅧ1016 3.0 ㅧ 10 16 Mg2Si0.7Ge0.3 Mg 2 Si 0.7 Ge 0.3 -15.4-15.4 113113 4.0ㅧ1017 4.0 ㅧ 10 17 Mg2Si0.5Ge0.5 Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 -8.4-8.4 2828 7.3ㅧ1017 7.3 ㅧ 10 17 Mg2Si0.3Ge0.7 Mg 2 Si 0.3 Ge 0.7 5.55.5 44 1.1ㅧ1018 1.1 ㅧ 10 18 Mg2GeMg 2 Ge 6.86.8 1414 9.1ㅧ1017 9.1 ㅧ 10 17

Mg2Si의 경우 캐리어농도는 3.0ㅧ 1016cm-3이었고, Mg2Ge을 고용시킴에 따라 캐리어 농도는 증가하여 Mg2Si0.3Ge0.7의 경우 1.1ㅧ 1018cm-3, Mg2Ge의 경우 9.1ㅧ 1017cm-3의 값을 나타내었으며, 이동도는 감소하는 경향을 보였다. Mg2Si1-xGex로 표시된 고용체에서 x=0~0.5까지는 n-형 전도특성을 나타내었으나 x≥0.7에서는 p-형으로 전이 되었다. 이것은 Ge의 함량이 증가할수록 Mg2Ge의 특성이 강하게 나타나기 때문으로 판단된다.
For the Mg 2 Si concentration is 3.0 ㅧ carrier 10 was 16 cm -3, depending on the case of employing the Sikkim Mg 2 Ge carrier concentration is increased by Mg 2 Si 0.3 Ge 0.7 1.1 ㅧ of 10 18 cm -3, Mg 2 Ge cases showed a value of 9.1 ㅧ 10 17 cm -3, showed the mobility is decreased. In the solid solution represented by Mg 2 Si 1-x Ge x , n = 0 to 0.5 showed n-type conductivity, but transitioned to p-type when x≥0.7. It is considered that this is because the characteristic of Mg 2 Ge is stronger as the content of Ge increases.

도 10은 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 전기전도도를 측정한 결과이다.10 shows the result of measuring the electrical conductivity according to the temperature of the prepared specimen.

모든 조성에서 온도가 증가함에 따라 전기전도도는 증가하였고, 비축퇴 반도체 특성을 보였다. Mg2Si0.7Ge0.3 시편이 상온에서 가장 높은 전기전도도를 보였고, Mg2Si가 가장 낮은 값을 보였다. As the temperature increased in all compositions, the electrical conductivity increased and the non - depletion semiconductor characteristics were observed. Mg 2 Si 0.7 Ge 0.3 specimen showed the highest electrical conductivity at room temperature and Mg 2 Si showed the lowest value.

모든 시편은 조성에 따라 각기 다른 전기전도도를 나타냈다. 이것은 결정구조 내에서 Ge 원자가 Si 원자의 자리를 차지하게 되고 또한 Ge의 고용량 변화에 따라서 전기전도 형태가 변화되어, 전자의 이동과 정공의 이동이 혼재된 2극 전도(bipolar conduction)가 발생하기 때문이다. Mg2Si와 Mg2Ge가 고용체를 형성함에 따라서 캐리어 농도와 이동도, 유효질량이 달라지기 때문으로 판단된다.
All specimens showed different electrical conductivities depending on the composition. This is because the Ge atoms occupy the positions of Si atoms in the crystal structure and the electric conduction form changes according to the change of the high capacity of Ge and bipolar conduction occurs in which electrons migration and hole migration are mixed to be. It is considered that the carrier concentration, the mobility and the effective mass differ as Mg 2 Si and Mg 2 Ge form solid solution.

도 11은 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 제백계수를 측정한 결과이다.11 shows the result of measuring the whiteness coefficient according to the temperature of the produced specimen.

Ge의 함량이 증가할수록 상온에서의 제벡계수는 -537㎶/K에서 565㎶/K로 크게 변화하였고, 제벡계수의 부호는 표 2의 홀 계수(Hall coefficient)와 일치하였다. 즉 전기전도(electrical conduction)에 기여하는 주요 캐리어가 전자(n-type)에서 정공(p-type)로 변화되었다. 결과적으로 Mg2Si1-xGex 고용체는 원소조성에 따라 상당히 민감한 열전재료라 할 수 있다. As the content of Ge increased, the Seebeck coefficient at room temperature changed greatly from -537 ㎶ / K to 565 ㎶ / K, and the sign of Seebeck coefficient coincided with the Hall coefficient of Table 2. That is, the main carriers contributing to electrical conduction are changed from electrons (n-type) to holes (p-type). As a result, the Mg 2 Si 1-x Ge x solid solution is a thermoelectric material which is considerably sensitive to the element composition.

Ge 함량의 증가와 온도가 증가할수록 열 활성화 캐리어의 증가로 인해 제벡계수의 절대 값은 감소하였으며, 이는

Figure 112013110564814-pat00001
(
Figure 112013110564814-pat00002
: 제벡계수 절댓값, r : 스캐터링 파라미터, c : 상수, n : 캐리어 농도) 식에 따라 Ge 함량이 증가할수록 n이 증가하게 되고, 결국
Figure 112013110564814-pat00003
는 감소하게 된다. 모든 조성에서 온도가 증가할수록 캐리어 농도가 증가하여
Figure 112013110564814-pat00004
는 감소하고 포화되는 경향을 보인다. 또한 x ≥ 0.7인 경우 상온에서는 p-형 전도특성을 나타내지만, 고온에서는 n-형 전도특성으로 전환되었다. 이것은 Ge의 첨가에 따라 페르미 에너지가 변하게 되고 이에 따라 전자구조의 변화가 발생한 것에 기인한 것으로 보인다.As the Ge content increases and the temperature increases, the absolute value of the Seebeck coefficient decreases due to the increase of the thermally activated carrier.
Figure 112013110564814-pat00001
(
Figure 112013110564814-pat00002
(N = carrier concentration), where n is the number of particles, and n is the number of particles.
Figure 112013110564814-pat00003
. As the temperature increases in all compositions, the carrier concentration increases
Figure 112013110564814-pat00004
Is decreased and saturated. In the case of x ≥ 0.7, p-type conduction characteristics are exhibited at room temperature, but n-type conduction characteristics are converted at high temperature. This seems to be due to the change of the Fermi energy with the addition of Ge, resulting in the change of the electronic structure.

도 12는 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 열전도도를 측정한 결과이다.FIG. 12 shows the result of measuring the thermal conductivity according to the temperature of the produced specimen.

상온에서 Mg2Si와 Mg2Ge의 열전도도보다 Mg2Si1-xGex 고용체의 열전도도가 현저히 낮다. 고용된 원자가 포논 스캐터링의 중심으로 작용하여 열전도도가 감소하는 전형적인 합금 효과의 결과이다. 623K 이상에서 고용체보다 Mg2Si의 열전도도가 낮은 이유는 Mg2Si의 캐리어 농도가 10배 ~ 100배 작기 때문에 열전도도에 미치는 전자의 기여 량이 작기 때문으로 판단된다. 모든 조성에서 온도가 증가함에 따라 열전도도가 감소하다가 723K 이상에서 진성 전도에 의해 열전도도가 증가하였다. Mg2Si0.7Ge0.3과 Mg2Si0.5Ge0.5의 경우는 모든 측정온도 범위에서 2.2 ~ 3.5 W/mK의 매우 낮은 열전도도를 보였다.
The thermal conductivity of Mg 2 Si 1-x Ge x solid solution is much lower than the thermal conductivity of Mg 2 Si and Mg 2 Ge at room temperature. The solubilized atoms act as a center of phonon scattering and are the result of a typical alloying effect in which thermal conductivity is reduced. Thermal conductivity reason lower than the solid solution of Mg 2 Si in the 623K or more are judged as due to the small amount of contribution of the electronic effects on the thermal conductivity due to the carrier density of the Mg 2 Si 10 times to 100 times smaller. The thermal conductivity decreased with increasing temperature in all compositions, but the thermal conductivity increased by intrinsic conduction at over 723K. Mg 2 Si 0.7 Ge 0.3 and Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 exhibited a very low thermal conductivity of 2.2 ~ 3.5 W / mK at all measured temperature ranges.

도 13은 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 무차원 열전성능지수를 계산한 결과이다.13 shows the results of calculating the dimensionless thermoelectric performance index according to the temperature of the produced specimen.

본 실시예에 따라 제조된 고용체 시편의 경우에 온도가 상승함에 따라 성능지수가 증가하는 경향을 보였고, 특히 Mg2Si0.7Ge0.3의 경우 중간 온도 범위에서 응용 가능성이 가장 높은 것으로 나타났다. In the case of the solid solution samples prepared according to the present embodiment, the figure of merit tended to increase with increasing temperature. In particular, Mg 2 Si 0.7 Ge 0.3 was found to have the highest applicability in the middle temperature range.

이상에서 살펴본 것과 같이, 본 실시예에 따른 고상반응법에 의해서 Mg2Si와 Mg2Ge의 고용체로 구성되는 열전재료를 쉽게 제조할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따라 제조된 열전재료는 Mg2Si와 Mg2Ge가 고용체를 형성함에 의해서 열전도도가 감소하여 고용체 형성에 따른 열전성능의 향상을 확인할 수 있다.As described above, it can be confirmed that a thermoelectric material composed of a solid solution of Mg 2 Si and Mg 2 Ge can be easily manufactured by the solid-phase reaction method according to the present embodiment. In addition, the thermoelectric material prepared according to this embodiment has a reduced thermal conductivity due to the formation of solid solution of Mg 2 Si and Mg 2 Ge, thus confirming the improvement of the thermoelectric performance due to solid solution formation.

본 실시예에서는 Mg2Si와 Mg2Ge의 고용체 형성에 따른 열전성능의 향상을 확인하기 위하여 도핑을 수행하지 않았지만, 전기전도도와 제벡계수를 최적화하기 위한 도핑을 수행하는 경우에 열전성능은 더욱 향상될 것이다.In this embodiment, doping is not performed in order to confirm the improvement of the thermoelectric performance due to the solid solution formation of Mg 2 Si and Mg 2 Ge. However, when doping is performed to optimize the electric conductivity and the Seebeck coefficient, the thermoelectric performance is further improved Will be.

한편 열전성능 향상을 위한 도핑은, 본 실시예에 따른 제조과정에 있어서 원료물질의 혼합단계에서 도핑원소를 함께 혼합할 수도 있고, 고상반응을 통해서 고용체 분말을 형성한 이후에 도펀트를 도핑하는 방법을 적용할 수도 있다. Mg2X계 열전재료의 전기전도도와 제벡계수를 최적화하기 위해 사용되는 도펀트에 대해서는 다양한 연구가 진행되었으며, 본 발명의 본질을 해하지 않는 경우라면 제한 없이 사용이 가능하므로 도펀트에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
Meanwhile, the doping for improving the thermoelectric performance may be performed by mixing the doping elements together in the mixing step of the raw material in the manufacturing process according to the present embodiment, or by forming the solid solution through solid phase reaction and then doping the dopant It can also be applied. Various studies have been conducted on dopants used for optimizing the electric conductivity and the Seebeck coefficient of the Mg 2 X based thermoelectric material. If the essence of the Mg 2 X based thermoelectric material is not adversely affected, the dopant can be used without any limitation, so a detailed description of the dopant is omitted .

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to preferred embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Those skilled in the art will understand. Therefore, the scope of protection of the present invention should be construed not only in the specific embodiments but also in the scope of claims, and all technical ideas within the scope of the same shall be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (13)

Mg2Si와 Mg2Ge의 원료물질 분말을 준비하는 단계;
상기 원료물질 분말을 화학양론적 조성비에 따라 혼합하는 단계; 및
상기 혼합된 원료물질 분말을 열처리를 통해 고체 상태에서 반응시켜 Mg2Si와 Mg2Ge를 고상합성하는 단계;를 포함하며,
상기 고상합성하는 단계에서 합성된 Mg2Si와 Mg2Ge가 고용체 상태로 혼합되는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
Preparing a raw material powder of Mg 2 Si and Mg 2 Ge;
Mixing the raw material powders according to a stoichiometric composition ratio; And
Reacting the mixed raw material powder in a solid state through heat treatment to solid-phase synthesize Mg 2 Si and Mg 2 Ge,
Wherein the Mg 2 Si and Mg 2 Ge synthesized in the solid-phase synthesis step are mixed in a solid solution state.
청구항 1에 있어서,
상기 고상합성하는 단계가 773~973K의 온도범위에서 열처리하여 수행되는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solid-phase synthesis step is performed by heat treatment in a temperature range of 773 to 973K.
청구항 2에 있어서,
상기 고상합성하는 단계가 1~10시간동안 수행되는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
The method of claim 2,
Wherein the solid phase synthesis step is performed for 1 to 10 hours.
청구항 1에 있어서,
상기 고상합성하는 단계 뒤에 진공상태에서 열간압축성형을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
Further comprising performing hot compression molding in a vacuum state after the solid-phase synthesis step.
청구항 4에 있어서,
상기 열간압축성형을 수행하는 단계가, 10~100MPa의 압력과 973~1173K의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
The method of claim 4,
Wherein the step of performing the hot compression molding is performed at a pressure of 10 to 100 MPa and a temperature range of 973 to 1173K.
청구항 1에 있어서,
상기 고상합성하는 단계를 수행하기 전에, 상기 혼합된 원료물질 분말을 냉간압축하는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mixed raw material powder is cold-pressed before performing the solid-phase synthesis step.
청구항 6에 있어서,
상기 냉간압축 공정이 10~1000MPa의 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
The method of claim 6,
Wherein the cold pressing step is performed at a pressure of 10 to 1000 MPa.
청구항 1에 있어서,
상기 고상합성하는 단계를 수행하기 전에, 도핑원소를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of adding a doping element before performing the solid-phase synthesis step.
청구항 1에 있어서,
상기 고상합성하는 단계를 수행한 이후에, 도핑원소를 도핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of doping the doping element after performing the solid-phase synthesis step.
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