KR101574973B1 - Antimony-doped thermoelectric solid solution materials and method for manufacturing the same - Google Patents

Antimony-doped thermoelectric solid solution materials and method for manufacturing the same Download PDF

Info

Publication number
KR101574973B1
KR101574973B1 KR1020140050762A KR20140050762A KR101574973B1 KR 101574973 B1 KR101574973 B1 KR 101574973B1 KR 1020140050762 A KR1020140050762 A KR 1020140050762A KR 20140050762 A KR20140050762 A KR 20140050762A KR 101574973 B1 KR101574973 B1 KR 101574973B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
solid solution
thermoelectric material
thermoelectric
powder
solid
Prior art date
Application number
KR1020140050762A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20150124205A (en
Inventor
김일호
유신욱
신동길
Original Assignee
한국교통대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국교통대학교 산학협력단 filed Critical 한국교통대학교 산학협력단
Priority to KR1020140050762A priority Critical patent/KR101574973B1/en
Publication of KR20150124205A publication Critical patent/KR20150124205A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101574973B1 publication Critical patent/KR101574973B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/851Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/853Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising arsenic, antimony or bismuth
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01Manufacture or treatment
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/851Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/854Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising only metals

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은 안티몬이 도핑된 고용체 열전재료 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열전성능을 향상시킬 수 있는 안티몬이 도핑된 고용체 열전재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 원료 분말을 혼합한 뒤 고상반응을 수행하는 방법을 적용함으로써 자연적으로 고용체 형태의 열전재료를 제조할 수 있어 열전 성능을 획기적으로 개선할 수 있다.
또한 최적의 조건에서 열간압축공정을 적용함으로써 원하는 밀도의 성형제를 제조할 수 있다.
아울러 본 발명에 따르면 원료분말을 혼합하여 고체상태에서 반응시키는 공정만으로 고용체 상태의 열전재료를 제조할 수 있기 때문에 낮은 비용으로 성능이 향상된 열전재료를 제조할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 고용체 열전재료에 Sb를 도핑함으로써 열전재료의 전기전도도와 제벡계수를 최적화할 수 있다.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid solution thermoelectric material doped with antimony and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a solid solution thermoelectric material doped with antimony capable of improving thermoelectric performance and a method of manufacturing the same.
According to the present invention, by applying the method of performing the solid-phase reaction after mixing the raw material powders, it is possible to naturally produce a solid solution type thermoelectric material, thereby remarkably improving the thermoelectric performance.
Further, by applying the hot compression process under the optimum conditions, a molding agent having a desired density can be produced.
In addition, according to the present invention, a thermoelectric material in a solid solution state can be produced only by mixing raw material powders and reacting in a solid state, so that a thermoelectric material having improved performance can be manufactured at low cost.
According to the present invention, the electrical conductivity and the Seebeck coefficient of the thermoelectric material can be optimized by doping Sb into the solid solution thermoelectric material.

Description

안티몬이 도핑된 고용체 열전재료 및 그 제조방법{ANTIMONY-DOPED THERMOELECTRIC SOLID SOLUTION MATERIALS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}TECHNICAL FIELD The present invention relates to an antimony-doped solid solution thermoelectric material and a method of manufacturing the same. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 > [0002] <

본 발명은 안티몬이 도핑된 고용체 열전재료 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열전성능을 향상시킬 수 있는 안티몬이 도핑된 고용체 열전재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid solution thermoelectric material doped with antimony and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a solid solution thermoelectric material doped with antimony capable of improving thermoelectric performance and a method of manufacturing the same.

일반적으로, 최근 대체 에너지의 개발 및 절약에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데, 효율적인 에너지 변환 물질에 관한 조사 및 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 열 에너지와 전기 에너지를 변환하는 재료인 열전재료에 대한 연구가 가속화되고 있다.In general, research and research on efficient energy conversion materials are actively being carried out with the recent interest in development and saving of alternative energy. In particular, research on thermoelectric materials, which are materials for converting thermal energy and electric energy, is accelerated.

열전재료는 열을 전기로 또는 전기를 열로 직접 변화시키는 기능을 갖는 금속 또는 세라믹재로서, 온도차만 부여하면 가동 부분 없이도 발전이 가능하다는 장점이 있다.A thermoelectric material is a metal or a ceramic material having a function of directly converting heat into electricity or electric heat, and it is advantageous that power generation is possible without moving parts if only temperature difference is given.

열전재료는 19세기 초에 열전현상인 제벡효과(Seebeck effect), 펠티에효과(Peltier effect), 톰슨효과(Thomson effect)의 발견 후, 1930년대 후반부터 반도체의 발전과 더불어 열전성능 지수가 높은 열전재료로 개발되고 있다.The thermoelectric materials were developed from the late 1930s after the discovery of the thermoelectric phenomenon Seebeck effect, Peltier effect and Thomson effect in the early 19th century, along with the development of semiconductors, .

최근 열전재료는, 열전발전 특성을 이용하여 산간벽지용, 우주용, 군사용 등의 특수 전원장치로의 사용되고 있으며, 또 열전냉각 특성을 이용하여 반도체 레이저 다이오드, 적외선 검출소자 등에서 정밀한 온도제어나 컴퓨터 관련 소형 냉각기둥 등에 사용되고 있다.Recently, thermoelectric materials have been used as special power devices such as wallpaper for the mountain, space, and military using thermoelectric power generation characteristics. In addition, thermoelectric cooling has been widely used in semiconductor laser diodes, infrared ray detection devices, Small cooling columns and so on.

열전재료의 효율은 무차원 열전성능지수(dimensionless figure of merit)로 평가되며, 이는 ZT = α2σT/(κEL)로 정의된다. α는 제벡계수, σ는 전기전도도, κE는 전자 열전도도(electronic thermal conductivity), κL은 격자 열전도도(lattice thermal conductivity)이다. 따라서 열전 물성을 최적화하기 위해서는 PGEC(Phonon-Glass and Electron-Crystal)를 생성하기 위해 노력하면서 역률(Power Factor, PF = α2σ)를 높이고 동시에 κL을 감소시켜야 한다. 또한 열전재료 선택을 위한 기준으로서 재료인자 β = (m*/me)3/2μ kL -1 가 이용될 수 있다(m*은 density-of-states effective mass이고, me는 mass of electron이고, μ는 carrier mobility이다). 결과적으로 높은 성능의 열전재료가 되기 위해서는 낮은 격자 전도도 및 높은 캐리어 이동도를 가져야 한다.The efficiency of the thermoelectric material is evaluated as a dimensionless figure of merit, which is defined as ZT = α 2 σT / (κ E + κ L ). α is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, κ E is the electronic thermal conductivity, and κ L is the lattice thermal conductivity. Therefore, in order to optimize the thermoelectric property, it is necessary to increase the power factor (PF = α2σ) while decreasing the κ L while trying to generate Phonon-Glass and Electron-Crystal (PGEC). The material factor β = (m * / m e ) 3/2 μ k L -1 can be used as a criterion for selecting thermoelectric materials (where m * is the density-of-states effective mass and m e is the mass of electron, and mu is carrier mobility). As a result, it is necessary to have low lattice conductivity and high carrier mobility in order to be a high performance thermoelectric material.

높은 열전성능지수를 가진 물질 중에 현재 많이 사용되고 있는 물질은 Bi2Te3 및 그의 고용체(solid solution)물질들이다. 특히 고용체의 경우에는 점결함에 의한 포논 스캐터링(phonon scattering)의 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)Among the materials with high thermoelectric performance index, materials that are currently widely used are Bi 2 Te 3 and solid solution materials thereof. Particularly, in the case of the solid solution, thermal conductivity decreases due to the effect of phonon scattering due to the point defect, thereby improving the figure of merit. However, when segregation occurs due to failure to form a uniform solid solution, There is a problem that a uniform solid solution is formed (Patent No. 10-0440268)

한편, Bi2Te3는 희소성 자원인 Te를 사용하여 매우 고가이며, 독성물질인 Bi를 사용하는 문제가 있으므로, 이를 대체하기 위한 연구가 계속되고 있다.On the other hand, Bi 2 Te 3 is very expensive using Te, which is a scarce resource, and there is a problem of using Bi, which is a toxic substance.

최근 유망한 열전재료로서 마그네슘 화합물 Mg2B (B = Si, Ge, Sn) 및 그 고용체들이 주목받고 있다. 이들은 500K에서 800K의 중온 영역에서 우수한 열전특성을 보이며, 친환경적이고 경제적인 열전재료로 알려져 있다. 마그네슘 화합물 Mg2B의 β 값은 3.7-14로서, 철 실리사이드(0.05-0.8) 및 실리콘-게르마늄 합금(1.2-2.6)에 비해 매우 높은 값을 가지고 있다. 또한 Mg2Si-Mg2Ge 고용체는 Ge 사이트를 대체하여 치환된 Si 사이트에 의해 강화된 포논 스캐터링(phonon scattering)에 따른 열전도도 감소를 기대할 수 있다.Recently, magnesium compounds Mg 2 B IV (B IV = Si, Ge, Sn) and their solid solutions have been attracting attention as promising thermoelectric materials. They exhibit excellent thermoelectric properties in the mid-temperature range of 500K to 800K and are known as eco-friendly and economical thermoelectric materials. The β value of the magnesium compound Mg 2 B IV is 3.7-14, which is much higher than that of iron silicide (0.05-0.8) and silicon-germanium alloy (1.2-2.6). The Mg 2 Si-Mg 2 Ge solid solution can also be expected to replace the Ge site and reduce thermal conductivity due to phonon scattering enhanced by the substituted Si sites.

다만 고용체 제조과정에서 Mg 합금을 용해하는 경우 Mg가 휘발 및 산화되거나, Mg, Si, Ge의 녹는점의 차이, 중력 분리 등의 이유로 전체적인 조성을 제어하기 어려운 문제가 있어, 이를 극복할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
However, when the Mg alloy is dissolved in the solid solution production process, there is a problem that Mg is volatilized and oxidized, the melting point of Mg, Si, and Ge is different, and gravity separation, so that it is difficult to control the overall composition. It is necessary.

대한민국 등록특허 제10-0440268호Korean Patent No. 10-0440268

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전기전도도 및 제벡계수를 최적화함으로써 열전성능을 개선할 수 있는 고용체 열전재료 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a solid solution thermoelectric material capable of improving thermoelectric performance by optimizing electric conductivity and a Seebeck coefficient, and a method of manufacturing the same.

본 발명에 따르면, Mg 분말, Si 분말, Ge 분말 및 Sb 분말을 포함하는 원료 분말을 혼합하는 단계(단계 a); 상기 단계 a에서 혼합된 분말을 열처리를 통해 고체 상태에서 반응시키는 고상반응단계(단계 b); 및 상기 단계 b에서 합성된 분말을 열간압축하는 단계(단계 c)를 포함하는, 안티몬이 도핑된 고용체 열전재료 제조방법을 제공할 수 있다.
According to the present invention, there is provided a method of manufacturing a magnetic powder, comprising the steps of: (a) mixing a raw powder containing Mg powder, Si powder, Ge powder and Sb powder; A solid phase reaction step (step b) in which the powder mixed in step a) is reacted in a solid state through heat treatment; And a step (c) of thermally compressing the powder synthesized in the step (b), thereby providing a method of manufacturing antimony-doped solid solution thermoelectric materials.

상기 혼합하는 단계(단계 a)는 Mg2Si1-xGexSbm(0<x<1, 0<m≤0.1)의 화학양론조성에 따라 혼합할 수 있다. 더욱 바람직하게는 Mg2Si1-xGexSbm(0.3≤x≤0.7, 0.005≤m≤0.03)의 화학양론조성에 따라 혼합할 수 있다. 안티몬의 양이 상기 범위를 초과하는 경우에는 열전재료의 전기전도도 및 제벡계수의 최적화를 구현하기 어려울 수 있다.The mixing step (step a) may be carried out according to the stoichiometric composition of Mg 2 Si 1-x Ge x Sb m (0 <x <1, 0 < m ≦ 0.1). More preferably, they can be mixed according to the stoichiometric composition of Mg 2 Si 1-x Ge x Sb m (0.3? X? 0.7, 0.005? M ? 0.03). If the amount of antimony exceeds the above range, it may be difficult to optimize the electric conductivity and the Seebeck coefficient of the thermoelectric material.

상기 고상반응단계는 Sb가 도핑된 Mg2Si-Mg2Ge 고용체 분말을 합성하는 단계일 수 있다.The solid phase reaction step may be a step of synthesizing Sb-doped Mg 2 Si-Mg 2 Ge solid solution powder.

상기 단계 a에서 혼합된 분말을 열처리를 통해 고체 상태에서 반응시키는 고상반응단계(단계 b)는 원료 분말을 혼합한 뒤 고상반응을 수행하는 것으로서, 상기 고상반응에 따라 자연적으로 Sb가 도핑된 고용체를 형성할 수 있다. 이에 따라 열전재료의 성능이 향상될 수 있고 이러한 특징은 고체 상태의 물질을 단순히 반응시키는 종래의 고상반응법으로는 예측할 수 없는 내용이다.The solid phase reaction step (step b) in which the powders mixed in step a) are reacted in a solid state through heat treatment is a method of performing a solid phase reaction after mixing the raw material powders. The solid phase reaction naturally forms Sb- . As a result, the performance of the thermoelectric material can be improved and this characteristic can not be predicted by the conventional solid-phase reaction method in which the solid state material is simply reacted.

상기 고상반응단계(단계 b)는 773~973K의 온도범위에서 1~10 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 범위보다 낮은 온도, 짧은 시간동안 고상반응을 수행하는 경우 기대하는 고용체를 형성하기 어렵고 상기 범위보다 높은 온도, 오랜 시간에서 고상반응을 수행하는 경우 제조비용이 향상되는 단점이 있고, 더 심할 경우에는 제2상이 형성되거나 Mg가 산화 또는 휘발되는 문제가 발생할 수 있다.The solid phase reaction step (step b) may be carried out at a temperature ranging from 773 to 973K for 1 to 10 hours. It is difficult to form an expected solid solution when a solid phase reaction is performed at a temperature lower than the above range for a short time and a manufacturing cost is increased when a solid phase reaction is performed at a temperature higher than the above range for a long time, A problem may occur that the second phase is formed or Mg is oxidized or volatilized.

상기 고상반응 단계 이후의 열간압축단계(단계 c)는 10~100MPa의 압력과 973~1173K의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 상기 범위보다 낮은 압력, 낮은 온도에서 열간압축하는 경우 원하는 밀도로 성형하기 어렵고, 상기 범위보다 높은 압력, 높은 온도에서 열간압축하는 경우 제조비용이 높아지고 제2상이 형성되는 등의 문제가 발생할 수 있다.
The hot compression step (step c) after the solid phase reaction step can be carried out at a pressure of 10 to 100 MPa and a temperature range of 973 to 1173K. When hot compression is performed at a pressure lower than the above-mentioned range, it is difficult to mold at a desired density. When hot compression is performed at a pressure higher than the above range and at a high temperature, manufacturing cost increases and a second phase is formed.

상기 고상반응단계를 수행하기 전에, 상기 혼합된 원료물질 분말을 냉간압축하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 냉간압축 공정은 10~1000MPa의 압력에서 수행될 수 있다. 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.
And cold compressing the mixed raw material powder before performing the solid phase reaction step. The cold compression process may be performed at a pressure 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.

본 발명에 따르면, Mg 분말, Si 분말 및 Ge 분말을 포함하는 원료 분말을 혼합하는 단계; 상기 혼합하는 단계에서 혼합된 분말을 열처리를 통해 고체 상태에서 반응시키는 고상반응단계; 상기 고상반응단계 후 Sb 분말을 도핑하는 단계; 및, 상기 고상반응단계와 도핑하는 단계를 거쳐 합성된 분말을 열간압축하는 단계를 포함하는 안티몬이 도핑된 고용체 열전재료 제조방법을 제공할 수 있다.
According to the present invention, there is provided a method for producing a silicon carbide powder, comprising the steps of: mixing a raw material powder containing Mg powder, Si powder and Ge powder; A solid phase reaction step in which the powder mixed in the mixing step is reacted in a solid state through heat treatment; Doping Sb powder after the solid phase reaction step; And a step of thermally compressing the synthesized powder through the solid phase reaction step and doping step, thereby providing a method of manufacturing an antimony-doped solid solution thermoelectric material.

상기 제조방법은 Mg 분말, Si 분말, Ge 분말 및 Sb 분말은 Mg2Si1-xGexSbm(0<x<1, 0<m≤0.1)의 화학양론조성에 따른 양으로 투입될 수 있다. 더욱 바람직하게는 Mg2Si1-xGexSbm(0.3≤x≤0.7, 0.005≤m≤0.03)의 화학양론조성에 따른 양으로 투입될 수 있다. 고상반응단계 및 열간압축하는 단계에 관한 내용은 위에서 설명한 것과 동일하므로 여기서는 생략한다.
The Mg powder, Si powder, Ge powder and Sb powder can be added in an amount corresponding to the stoichiometric composition of Mg 2 Si 1-x Ge x Sb m (0 <x <1, 0 < m ≦ 0.1) have. More preferably, it can be added in an amount corresponding to the stoichiometric composition of Mg 2 Si 1-x Ge x Sb m (0.3? X? 0.7, 0.005? M ? 0.03). Since the contents of the solid phase reaction step and the hot compression step are the same as those described above, they are omitted here.

본 발명에 따르면, 상기 방법으로 고용체 열전재료로서, Mg2Si1-xGexSbm(0<x<1, 0<m≤0.1)의 조성으로 구성된 고용체인 것을 특징으로 하는 안티몬이 도핑된 고용체 열전재료를 제공할 수 있다.According to the present invention, there is provided a solid-state thermoelectric material as described above, wherein the solid-solution thermoelectric material is a solid solution comprising a composition of Mg 2 Si 1-x Ge x Sb m (0 <x <1, 0 < m ≦ 0.1) A solid solution thermoelectric material can be provided.

상기 열전재료는 n-형 전도를 나타낼 수 있다.The thermoelectric material may exhibit n-type conduction.

상기 열전재료는 Mg2Si1-xGexSbm(0.3≤x≤0.7, 0.005≤m≤0.03)의 조성으로 구성될 수 있다.The thermoelectric material may have a composition of Mg 2 Si 1-x Ge x Sb m (0.3? X? 0.7, 0.005? M ? 0.03).

특히 상기 열전재료는 Mg2Si0.5Ge0.5Sb0.02의 조성으로 구성될 수 있다.
In particular, the thermoelectric material may be composed of Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 Sb 0.02 .

본 발명에 따르면 원료 분말을 혼합한 뒤 고상반응을 수행하는 방법을 적용함으로써 자연적으로 고용체 형태의 열전재료를 제조할 수 있어 열전 성능을 획기적으로 개선할 수 있다. According to the present invention, by applying the method of performing the solid-phase reaction after mixing the raw material powders, it is possible to naturally produce a solid solution type thermoelectric material, thereby remarkably improving the thermoelectric performance.

또한 최적의 조건에서 열간압축공정을 적용함으로써 원하는 밀도의 성형제를 제조할 수 있다. Further, by applying the hot compression process under the optimum conditions, a molding agent having a desired density can be produced.

아울러 본 발명에 따르면 원료분말을 혼합하여 고체상태에서 반응시키는 공정만으로 고용체 상태의 열전재료를 제조할 수 있기 때문에 낮은 비용으로 성능이 향상된 열전재료를 제조할 수 있다. In addition, according to the present invention, a thermoelectric material in a solid solution state can be produced only by mixing raw material powders and reacting in a solid state, so that a thermoelectric material having improved performance can be manufactured at low cost.

또한 본 발명에 따르면 고용체 열전재료에 Sb를 도핑함으로써 열전재료의 전기전도도와 제벡계수를 최적화할 수 있다.
According to the present invention, the electrical conductivity and the Seebeck coefficient of the thermoelectric material can be optimized by doping Sb into the solid solution thermoelectric material.

도 1a 및 1b는 제조된 시편의 X선 회절분석 결과이다.
도 2는 제조된 시편의 격자상수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3a 및 3b는 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 전기전도도를 측정한 결과이다.
도 4a 및 4b는 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 제벡계수를 측정한 결과이다.
도 5a ~ 5c는 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 열전도도를 측정한 결과이다.
도 6a 및 6c는 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 무차원 열전성능지수를 계산한 결과이다.
FIGS. 1A and 1B show the results of X-ray diffraction analysis of the produced specimen.
2 is a graph showing the change in lattice constant of the prepared specimen.
FIGS. 3A and 3B are the results of measuring the electrical conductivity according to the temperature of the produced specimen.
FIGS. 4A and 4B are the results of measuring the Seebeck coefficient according to the temperature of the produced specimen.
5A to 5C are measurement results of the thermal conductivity of the prepared specimen according to the temperature.
FIGS. 6A and 6C are the results of calculating the dimensionless thermoelectric performance index according to the temperature of the produced specimen.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예를 통하여 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수 있다. 여기서 소개되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예에 의해서 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안 된다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. The objects, features and advantages of the present invention will be readily understood through the following examples. The present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the following examples.

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.

먼저 원료물질로 고순도의 Mg (99.99%, <149㎛), Si (99.99%, <45㎛), Ge (99.99%, <45㎛) 및 Sb (99.999%, <75㎛) 분말을 준비하고 균일하게 혼합하였다.First, high purity Mg (99.99%, <149 μm), Si (99.99%, <45 μm), Ge (99.99%, <45 μm) and Sb (99.999% Respectively.

각 분말의 양은 Mg2Si1-xGexSbm(0.3≤x≤0.7, m=0, 0.005, 0.01, 0.02 0.03) 화학양론 비(stoichiometric ratio)에 따라 결정하였다.The amount of each powder was determined according to the stoichiometric ratio of Mg 2 Si 1-x Ge x Sb m (0.3? X? 0.7, m = 0, 0.005, 0.01, 0.02 0.03).

상기 비율로 혼합된 분말을 600 MPa 압력으로 냉간압축하여 펠렛(pellet)을 형성하였다. 이러한 냉간압축 공정을 수행함으로써, 원료물질 분말들이 접촉하는 면적을 넓힘으로써 이후의 고상반응 과정에서 원료물질 분말 사이의 확산을 촉진시킬 수 있다. 냉간압축 공정을 수행하지 않은 경우에는 고상반응이 부분적으로 진행되어 전체적으로 균질한 합성 결과를 얻을 수 없고, 반응되지 않은 원료물질이 남게 되는 문제가 생길 수 있다. The powder mixed at the above ratio was cold-pressed at 600 MPa pressure to form a pellet. 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 phase reaction partially progresses, and as a result, a homogeneous synthesis result as a whole can not be obtained, and unreacted raw material may remain.

상기 냉간압축 공정을 수행한 원료는 알루미나 도가니에 장입하여 773K에서 6시간 동안 진공에서 고상 반응(SSR)을 진행하였다. 합성된 분말은 내부 직경 10mm의 원통형 그래파이트 다이(cylindrical graphite die)에 장입 후 온도 1073K, 압력 70 MPa에서 2시간 동안 진공에서 열간압축(핫-프레싱, HP)하여 고용체 열전재료를 제조하였다.
The raw material subjected to the cold pressing process was charged into an alumina crucible and subjected to solid phase reaction (SSR) under vacuum at 773 K for 6 hours. The synthesized powders were loaded into a cylindrical graphite die with an internal diameter of 10 mm, and hot - pressed (HP) under vacuum at a temperature of 1073 K and a pressure of 70 MPa for 2 hours to produce a solid solution thermoelectric material.

본 발명의 일 실시예에 따른 고용체 열전재료는 상기 방법과 같이 원료물질 혼합단계에서 도핑원소(Sb)를 함께 혼합하는 방법을 이용할 수도 있고, 고상반응을 통해서 고용체 분말을 형성한 이후 도핑원소(Sb)를 도핑하는 방법을 적용하여 제조할 수도 있다.
The solid solution thermoelectric material according to one embodiment of the present invention may be a method of mixing the doping elements Sb together in the raw material mixing step as in the above method. After the solid solution is formed through the solid phase reaction, the doping element Sb ) May also be applied.

상기 방법으로 제조된 시편에 대하여 다양한 물성을 측정하였다. Various physical properties were measured on the specimens prepared by the above method.

Cu Kα 라디에이션(40kV, 30mA)를 이용하는 X선 회절분석기(XRD, Bruker D8-Advance)로 합성된 고용체 상과 격자상수를 분석하였다. 회절 패턴은 θ-2θ 모드 (10 to 90˚ 2θ)에서 측정되었다(step size 0.02˚, scan speed 0.4 sec/step, wave length of 0.15405 nm). 제벡계수 및 전기전도도 측정을 위하여, 열간압축된 성형체(compact)를 직사각형 모양(3 mm x 3 mm x 9 mm)으로 절단하였고, 열전도도 및 홀 이펙트(Hall effect)를 측정하기 위하여, 디스크 모양(직경 10mm x 두께 1mm)으로 절단하였다. 홀 이펙트 측정은 실온에서 van der Pauw 법을 이용하여 일정한 자기장(1T) 및 전류(50mA)에서 수행하였다. 제벡계수 및 전기전도도는 헬륨 분위기에서 ZEM-3(Ulvac-Riko) 장비를 이용하여 각각 온도차 방법(temperature differential method) 및 4-프로브 방법(4-probe method)으로 측정하였다. 열전도도는 진공에서 레이저 플래시 TC-9000H(Ulvac-Riko)를 이용한 열확산, 비열 및 밀도 측정으로부터 추정하였다.
Solid phase and lattice constants synthesized by X-ray diffractometer (XRD, Bruker D8-Advance) using Cu K α radiation (40 kV, 30 mA) were analyzed. The diffraction pattern was measured in the θ-2θ mode (10 to 90 ° 2θ) (step size 0.02 °, scan speed 0.4 sec / step, wave length of 0.15405 nm). For the measurement of the Seebeck coefficient and the electric conductivity, the hot compacted compact was cut into a rectangular shape (3 mm x 3 mm x 9 mm), and the disk shape (thickness) was measured to measure the thermal conductivity and Hall effect Diameter 10 mm x thickness 1 mm). Hall effect measurements were performed at room temperature using the van der Pauw method at constant magnetic field (1 T) and current (50 mA). The Seebeck coefficient and electrical conductivity were measured by a temperature differential method and a 4-probe method using a ZEM-3 (Ulvac-Riko) instrument in a helium atmosphere. Thermal conductivity was estimated from thermal diffusivity, specific heat and density measurements using a laser flash TC-9000H (Ulvac-Riko) in vacuum.

도 1a 및 도 1b는 상기 고상반응으로 합성된 시편의 X선 회절 분석 결과이다. 제조된 시편의 화학양론조성에 따라 Mg2Si1-xGexSbm(0.3≤x≤0.7, m=0, 0.005, 0.01, 0.02 0.03)로 표시하였다. 합성된 고용체(시편)의 패턴은 Mg2Si 및 Mg2Ge의 표준 회절 피크와 일치하였다. 즉 순수 Mg2Si 및 Mg2Ge 사이에 위치한 모든 피크와 일치하였다. 이를 통해 Sb가 도핑된 Mg2Si1-xGex 고용체는 SSR 및 HP에 의해 성공적으로 합성되었고 다른 2차상이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 열처리에 의한 고상반응을 수행하기에 앞서서 냉간압축 공정을 수행함으로써 원료물질 분말들의 반응 및 확산을 촉진하였기 때문이다. 회절 피크는 Ge 함량 증가할수록 낮은 앵글로 조금씩 이동하였는데, 이는 Mg2Si 및 Mg2Ge 사이의 고용체에 의하여 격자 상수가 증가하였다는 것을 나타낸다.
FIGS. 1A and 1B are X-ray diffraction analysis results of the specimen synthesized by the solid-phase reaction. According to the stoichiometric composition of the prepared specimens, Mg 2 Si 1-x Ge x Sb m (0.3? X? 0.7, m = 0, 0.005, 0.01, 0.02 0.03) The pattern of synthesized solid solution (specimen) was consistent with the standard diffraction peaks of Mg 2 Si and Mg 2 Ge. That is, all peaks located between pure Mg 2 Si and Mg 2 Ge. As a result, Mg 2 Si 1-x Ge x solid solution doped with Sb was successfully synthesized by SSR and HP, and no other secondary phase was formed. These results are due to the fact that the cold compression process was performed prior to the solid phase reaction by heat treatment to promote the reaction and diffusion of the raw material powders. The diffraction peaks shifted slightly to lower angles as the Ge content increased, indicating that the lattice constant was increased by solid solution between Mg 2 Si and Mg 2 Ge.

도 2는 제조된 시편의 격자 상수 변화를 나타낸 것이다. 도 2에서 x는 Ge 함량을 나타낸다. 도 2는 Mg2Si1-xGex 및 Mg2Si1-xGexSbm에서 Ge의 분률을 기준으로 표시하였다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 격자 상수는 Ge 함량이 증가할수록 선형적으로 증가하였다. Sb가 도핑되지 않은 시편은 대략 0.6367㎚ 에서 0.6383 ㎚까지 증가하였고 Sb가 도핑된 시편은 이보다 약간 높은 수치를 나타내었다. 이는 선행연구들에서 확인된 Mg2Si(0.6352㎚)와 Mg2Ge(0.6392㎚)의 격자상수 범위에 속하는 것으로 결과적으로 베가드의 법칙을 만족시키는 데이터이고 Mg2Si1-xGex Mg2Si1-xGexSbm의 고용체가 잘 형성되었다는 것을 나타낸다(Ref.[19]: E. Ratai, M. P. Augustine and S. M. Kauzlarich, J. Phys. Chem. B 107, 12573 (2003)., Ref.[20] F. Vazquez, R. A. Forman and M. Cardona, Phys. Rev. 176, 905 (1968).) 결과적으로 Ge 원자들은 Si 사이트에서 용해되었다는 알 수 있다. 또한 Si 또는 Ge 사이트가 Sb 원자들로 치환되었으나 Sb 도핑 농도가 높지 않았기 때문에 격자상수를 약간 증가시켰다는 것을 알 수 있다.
2 shows the change in lattice constant of the prepared specimen. In Fig. 2, x represents the Ge content. Fig. 2 is a graph showing the relationship between the dielectric constant of Mg 2 Si 1-x Ge x and Mg 2 Si 1-x Ge x Sb m Ge fraction. As shown in FIG. 2, the lattice constant increased linearly with increasing Ge content. The specimens without doping with Sb increased from 0.6367 nm to 0.6383 ㎚ and the specimens doped with Sb showed slightly higher values. This is due to the lattice constants of Mg 2 Si (0.6352 nm) and Mg 2 Ge (0.6392 nm) confirmed in previous studies and consequently satisfies Begard's law, and Mg 2 Si 1-x Ge x and Indicates that the solid solution of Mg 2 Si 1-x Ge x Sb m was formed well (Ref [19]:.. . E. Ratai, MP Augustine and SM Kauzlarich, J. Phys Chem B 107, 12573 (2003),. Ref. [20] F. Vazquez, RA Forman and M. Cardona, Phys. Rev. 176 , 905 (1968).) As a result, it can be seen that the Ge atoms were dissolved in the Si sites. In addition, it can be seen that the Si or Ge site was replaced with Sb atoms, but the lattice constant was slightly increased because the Sb doping concentration was not high.

표 1에서는 상기 방법으로 제조된 시편에 대한 실온에서의 전자이동특성을 나타내었다.Table 1 shows the electron mobility at room temperature for the sample prepared by the above method.

SpecimenSpecimen Hall coefficient
[cm3C-1]
Hall coefficient
[cm 3 C -1 ]
Mobility
[cm2V-1s-1]
Mobility
[cm 2 V -1 s -1 ]
Carrier concentration
[cm-3]
Carrier concentration
[cm -3 ]
Mg2Si0.7Ge0.3 Mg 2 Si 0.7 Ge 0.3 -15.47-15.47 114114 4.0x1017 4.0x10 17 Mg2Si0.7Ge0.3:Sb0.02 Mg 2 Si 0.7 Ge 0.3 : Sb 0.02 -0.0027 -0.0027 0.90.9 2.2x1021 2.2x10 21 Mg2Si0.5Ge0.5 Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 -8.44-8.44 2828 7.3x1017 7.3x10 17 Mg2Si0.5Ge0.5:Sb0.02 Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 : Sb 0.02 -0.003-0.003 0.880.88 2.0x1021 2.0x10 21 Mg2Si0.3Ge0.7 Mg 2 Si 0.3 Ge 0.7 5.555.55 4.14.1 1.1x1018 1.1x10 18 Mg2Si0.3Ge0.7:Sb0.02 Mg 2 Si 0.3 Ge 0.7 : Sb 0.02 -0.0019 -0.0019 0.20.2 3.2x1021 3.2x10 21 Mg2Si0.5Ge0.5:Sb0.005 Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 : Sb 0.005 -0.044-0.044 4.24.2 1.4x1020 1.4x10 20 Mg2Si0.5Ge0.5:Sb0.01 Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 : Sb 0.01 -0.004-0.004 0.90.9 1.5x1021 1.5x10 21 Mg2Si0.5Ge0.5:Sb0.02 Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 : Sb 0.02 -0.003-0.003 0.880.88 2.0x1021 2.0x10 21 Mg2Si0.5Ge0.5:Sb0.03 Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 : Sb 0.03 -0.0026-0.0026 0.930.93 2.3x1021 2.3x10 21

Sb가 도핑되지 않은 시편은 x=0.3-0.5에서 n-형 전도특성을 나타내었으나 x≥0.7에서는 실온에서 p-형으로 전이되었다. 이는 p-형 반도체인 Mg2Ge의 고유 특성 때문이다. 그러나 Sb가 도핑된 시편에서는 모두 n-형 전도특성을 나타내었는데 이는 대다수 캐리어가 전자라는 것을 의미한다. 캐리어 농도는 Sb 도핑에 의해 4.0 x 1017cm-3 에서 3.2 x 1021cm-3 까지 증가되었고 Sb 함량이 증가할수록 캐리어 농도도 증가하는 경향을 나타내었다. 따라서 Sb 원자들이 Mg2Si1-xGex 고용체에 대하여 n-형 도펀트(도너)로 작용하였다는 것을 알 수 있다. 그러나 캐리어 이동도는 Sb 도핑으로 감소하였는데, 이는 이온화된 불순물 스캐터링에 의해 유발되는 반도체의 전형적 거동이다. 표 1에서 나타내는 바와 같이, 전자 농도의 증가는 Sb 도핑에 의해 유발된 캐리어 이동도 감소에 비해 두드러졌고 결과적으로 전기전도도는 증가하였다.
Specimens without doping with Sb showed n-type conductivity at x = 0.3-0.5, but transitioned to p-type at room temperature at x≥0.7. This is due to the inherent characteristics of Mg 2 Ge, a p-type semiconductor. However, all Sb doped specimens showed n-type conduction characteristics, which means that most carriers are electrons. The carrier concentration is from 4.0 x 10 17 cm -3 by a Sb-doped 3.2 x 10 21 cm -3 and the carrier concentration also increased as the Sb content increased. Therefore, for Sb atoms, Mg 2 Si 1-x Ge x solid solution type dopant (donor). However, the carrier mobility is reduced by Sb doping, which is a typical behavior of the semiconductor caused by ionized impurity scattering. As shown in Table 1, the increase of the electron concentration was remarkable as compared with the decrease of the carrier mobility induced by the Sb doping, and consequently the electric conductivity increased.

도 3a 및 3b는 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 전기전도도를 측정한 결과이다. FIGS. 3A and 3B are the results of measuring the electrical conductivity according to the temperature of the produced specimen.

n-형 반도체의 전기전도도는 하기 수학식 (1)로 표현된다.The electrical conductivity of the n-type semiconductor is represented by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112014040447840-pat00001
Figure 112014040447840-pat00001

상기 식에서 e는 전자 전하, n은 전자 농도, μ는 전자 이동도, m*는 전자의 유효질량, τ는 전자의 릴렉세이션 타임(relaxation time of electron)이다. 고용체의 전기 전도도는 Sb 도핑에 의해 대략 3.3x102S/m 에서 4.5x104S/m 까지 증가하였는데 이는 캐리어 농도의 증가 때문이다. Sb이 도핑되지 않은 시편에서는 온도가 증가함에 따라 전기전도도가 급속하게 증가하였고, 비축퇴(non-degenerate) 반도체 특성을 보였다. 또한 전기전도도는 Ge 함량 증가에 따라 감소되는 결과를 나타내었다. Sb가 도핑된 시편의 경우는 온도와 무관하게 축퇴(degenerate) 반도체 특성을 보였다. Where e is the electron charge, n is the electron concentration, μ is the electron mobility, m * is the effective mass of the electron, and τ is the relaxation time of the electron. The electrical conductivity of the solid solution increased from 3.3 × 10 2 S / m to 4.5 × 10 4 S / m by Sb doping because of the increase of the carrier concentration. In Sb-free samples, the electrical conductivity increased rapidly with increasing temperature and showed non-degenerate semiconducting properties. The electrical conductivity decreased with increasing Ge content. Sb doped specimens exhibited degenerate semiconductor properties regardless of temperature.

표 1에서 나타내는 바와 같이, Ge 함량에 따라 전기전도 형태가 변화되는데, 이는 바이폴러 전도(bipolar conduction)가 발생하기 때문이다. 이는 Mg2Si1-xGex의 조성에 따라서 캐리어 농도와 이동도가 달라지는 결과를 가져온다. Mg2Si의 다수 캐리어는 전자이고 반면 Mg2Ge의 다수 캐리어는 정공이다. Sb가 도핑된 시편의 경우는 전기전도도가 특정 온도에서 증가하였다. 이는 Sb가 도핑되지 않은 시편에 비하여 캐리어 농도가 증가되었기 때문이다.
As shown in Table 1, the electrical conduction type changes according to the Ge content because bipolar conduction occurs. This results in different carrier concentration and mobility depending on the composition of Mg 2 Si 1-x Ge x . The majority carriers of Mg 2 Si are electrons whereas the majority carriers of Mg 2 Ge are holes. In the case of Sb doped specimens, the electrical conductivity increased at a certain temperature. This is because the carrier concentration is increased compared to the specimen in which Sb is not doped.

도 4a 및 4b는 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 제벡계수를 측정한 결과이다. 도 4a를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 제벡계수는 실온에서 Ge 함량이 증가할수록 -513 ㎶/K 에서 51 ㎶/K로 변화하였다. 제벡계수 부호(sign)는 표 1의 홀 계수(Hall coefficient)와 일치하였다. 이는 Ge 함량이 증가함에 따라 전기전도에 기여하는 다수의 캐리어가 전자(n-type conduction)에서 정공(p-type conduction)으로 변화되었다는 것을 의미한다. 결과적으로 Mg2Si1-xGex 고용체는 원소조성에 상당히 민감한 열전재료라고 할 수 있다. |α| = r - clnn(|α|: 제벡계수 절대값, r : 스캐터링 파라미터, c : 상수, n : 캐리어 농도)식에 따를 때, 도펀트 및 승온에 의해 열활성화(thermal activation)가 증가될수록 n이 증가하게 되고, 결국 |α|는 감소하게 된다. Sb가 도핑되지 않은 모든 시편에서, 온도가 증가할수록 |α|는 감소하고 포화되는 경향을 보였다. 또한 x ≥ 0.7인 경우 실온에서는 p-형 전도특성을 나타내지만, 고온에서는 n-형 전도특성으로 전환되었다. 이것은 Ge의 첨가에 의한 바이폴러 전도(bipolar conduction) 때문이다. Sb가 도핑된 모든 시편은 n-형 전도(네거티브 제벡계수)를 나타내었는데, 이는 Sb 원자들이 Mg2Si1-xGex에서 전자 도너로서 성공적으로 작용하였다는 것을 의미한다. Sb가 도핑된 시편의 제벡계수는 -131 ㎶/K ~ -259 ㎶/K 였고 |a|는 온도 및 Ge 함량이 증가할수록 증가하였다.
FIGS. 4A and 4B are the results of measuring the Seebeck coefficient according to the temperature of the produced specimen. Referring to FIG. 4A, the following will be described. The Seebeck coefficient changed from -513 ㎶ / K to 51 ㎶ / K as Ge content increased at room temperature. The sign of the Seebeck coefficient coincides with the Hall coefficient of Table 1. This means that as the Ge content increases, the number of carriers contributing to electrical conduction is changed from n-type conduction to p-type conduction. As a result, the Mg 2 Si 1-x Ge x solid solution is a thermoelectric material that is extremely sensitive to the element composition. | α | = r - c ln n (| α |: Absolute value of the Seebeck coefficient, r: scattering parameter, c: constant, n: carrier concentration) As the thermal activation is increased by the dopant and the temperature, n is increased, and |? | is decreased. In all samples where Sb was not doped, as the temperature increased, | α | decreased and saturation was observed. In the case of x ≥ 0.7, p-type conductivity is exhibited at room temperature, but it is converted to n-type conductivity at high temperature. This is due to bipolar conduction by the addition of Ge. All Sb-doped specimens showed n-type conduction (negative Seebeck coefficient), which means that the Sb atoms worked successfully as electron donors in Mg 2 Si 1-x Ge x . The Sb-doped specimens showed a -131 ㎶ / K to -259 ㎶ / K and | a | increased with increasing temperature and Ge content.

n-형 반도체의 제벡계수(α)는 하기 수학식 2로 표현된다.The anti-coercive force? of the n-type semiconductor is represented by the following equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

Figure 112014040447840-pat00002
Figure 112014040447840-pat00002

상기 식에서 k는 볼츠만 상수, r은 멱함수 지수(the exponent of the power function in the energy-dependent relaxation time expression), EC는 전도대 바닥(bottom of the conduction band), EF는 페르미 에너지, T는 절대온도, NC는 전도대에서 유효 상태밀도(effective density-of-states in the conduction band), n은 전하 캐리어 농도, γ는 스캐터링 팩터, c는 상수이다. 도 4b에서 나타내는 바와 같이, 진성 Mg2Si0.5Ge0.5의 제벡계수 절대값(|α|)은 낮은 온도에서 매우 높았다(-513 ㎶/K at 323 K). 그러나 온도가 증가될수록 현저하게 감소하는 경향을 나타내었다(-151 ㎶/K at 823 K). 이는 고유 전도(intrinsic conduction)에 의한 전자 농도의 증가 때문이다. 상기에서 설명한 것처럼 제벡계수 부호는 네거티브(negative)로 표 1의 홀 계수(Hall coefficient)와 일치하였다. Sb 도핑량이 증가할수록 제벡계수 절대값(|α|)은 감소하였는데 이는 캐리어 농도 증가 때문이다. Sb가 도핑된 Mg2Si0.5Ge0.5의 |α|은 온도가 증가할수록 증가하였고 특정 온도 이상에서 감소하였다. 이는 고유 전도(intrinsic conduction)에 의한 전자 농도 증가 때문이고, 고온에서 전자 농도 증가는 전자-포논(electron-phonon) 스캐터링에 비하여 두드러졌다. Sb가 도핑된 시편의 제벡계수는 323 K에서 -199 ㎶/K ~ -112㎶/K, 823 K에서 -256 ㎶/K ~ -222 ㎶/K였다.
Where k is Boltzmann's constant, r is the power function exponent (the exponent of the power function in the energy-dependent relaxation time expression), E C is the conduction band bottom (bottom of the conduction band), E F is the Fermi energy, T is Where n is the charge carrier concentration, γ is the scattering factor, and c is a constant. As shown in FIG. 4B, the absolute value of the anti-Seebeck coefficient (| 留 |) of intrinsic Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 was very high at low temperature (-513 ㎶ / K at 323 K). However, as the temperature increased, it tended to decrease significantly (-151 ㎶ / K at 823 K). This is due to the increase in electron concentration due to intrinsic conduction. As described above, the Boehb coefficient is negatively coincident with the Hall coefficient of Table 1. As the doping amount of Sb increases, the absolute value of the deflecting coefficient (| α |) decreases due to the increase of carrier concentration. The | α | of Sb doped Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 increased as the temperature increased and decreased above a certain temperature. This is due to the increase in electron concentration due to intrinsic conduction, and the increase in electron concentration at high temperature is remarkable compared to electron-phonon scattering. The Seebeck coefficient of Sb doped specimens was -199 ㎶ / K ~ -112 ㎶ / K at 323 K and -256 ㎶ / K ~ -222 ㎶ / K at 823 K.

도 5a ~ 5c는 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 열전도도를 측정한 결과이다. 도 5a를 참조하면 설명하면 다음과 같다. Sb가 도핑되지 않은 시편의 경우, 온도가 증가할수록 열전도도는 감소하였고, 723K 이상에서는 고유 전도(intrinsic conduction)에 의해 열전도도가 증가하였다. Mg2Si1-xGex 고용체는 낮은 열전도도를 나타내는데, 이는 고용된 원자(Si 또는 Ge)가 포논 스캐터링의 중심으로 작용하여 열전도도가 감소하는 전형적인 합금효과 때문이다. 그러나 고용체의 열전도도는 온도가 증가할수록 약간 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 고유 전도에 의한 캐리어 농도 증가 때문에 전자 열전도도(electronic thermal conductivity)가 증가했기 때문이라고 판단된다. Sb가 도핑되지 않은 시편 중에서, Mg2Si0.7Ge0.3 특정 온도에서 가장 낮은 열전도도를 나타내었다. Sb 도핑은 Sb 원자에 의한 도펀트(이온화된 불순물) 스캐터링 때문에 723K 이상에서 열전도도를 더욱 감소시켰다. 도 5b 및 5c를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 열전도도(κ)는 포논에 의한 격자 열전도도(κL)와 캐리어에 의한 전자 열전도도(κE)의 합이다. 두 구성요소는 비데만-프란츠 법칙(Wiedemann-Franz law, κE=LσT)에 의해 분리될 수 있다. 여기서 로렌츠 수는 평가를 위해 상수로 가정하였다(L = 2.45 x 10-8V2K-2). 모든 시편에서, 온도가 증가할수록 열전도도는 감소하였다. 또한, Sb가 도핑되지 않은 시편에서는 623K 이상에서, Sb가 도핑된 시편에서는 723K 이상에서 고유 여기(intrinsic excitation)에 의해 유발된 바이폴러 전도에 의해 열전도도는 증가하였다. Sb가 도핑된 시편의 경우, 이는 고유전도에 의한 캐리어 농도의 증가 때문에 발생한 전자 열전도도(electronic thermal conductivity)의 증가에서 기인하는 것이라고 판단된다. 결과적으로 Sb가 도핑된 시편의 고유 전도 온도(intrinsic conduction temperature)가 Sb가 도핑되지 않은 시편보다 높았다. 진성 Mg2Si0.5Ge0.5와 비교할 때, Sb 도핑은 열전도도를 약간 증가시키는 결과를 나타내었는데 이는 전자 기여도(electronic contribution)가 더 높기 때문이다. 그러나 723K 이상에서 Sb 도핑된 시편의 열전도도는 진성 Mg2Si0.5Ge0.5 보다 낮았는데 이는 격자 기여도가 더 낮기 때문이다. 가장 낮은 열전도도는 2.3 W/mK 였다(Mg2Si0.5Ge0.5Sb0.02, 723K).
5A to 5C are measurement results of the thermal conductivity of the prepared specimen according to the temperature. Referring to FIG. 5A, the following will be described. For the specimens without doping with Sb, the thermal conductivity decreased with increasing temperature, and the thermal conductivity increased with intrinsic conduction above 723K. The Mg 2 Si 1-x Ge x solid solution exhibits low thermal conductivity because of the typical alloying effect in which the solute atoms (Si or Ge) serve as the center of phonon scattering and thermal conductivity decreases. However, the thermal conductivity of the solid solution increased slightly with increasing temperature. It is considered that this is due to the increase of the electronic thermal conductivity due to the increase of the carrier concentration due to the high conduction. Of the specimens not doped with Sb, Mg 2 Si 0.7 Ge 0.3 And showed the lowest thermal conductivity at a certain temperature. Sb doping further reduced thermal conductivity above 723 K due to scattering of dopants (ionized impurities) by Sb atoms. 5B and 5C, the following will be described. The thermal conductivity (κ) is the sum of the lattice thermal conductivity (κ L ) by phonon and the electronic thermal conductivity (κ E ) by the carrier. The two components can be separated by the Biedemann-Franz law (κ E = LσT). Here, the Lorentz number is assumed to be a constant for evaluation (L = 2.45 x 10 -8 V 2 K -2 ). In all specimens, the thermal conductivity decreased with increasing temperature. In addition, the thermal conductivity increased by bipolar conduction induced by intrinsic excitation at over 623K in specimens not doped with Sb and over 723K in specimens doped with Sb. In the case of Sb doped specimens, it is believed that this is due to the increase in electronic thermal conductivity due to the increase in carrier concentration due to high conduction. As a result, the intrinsic conduction temperature of the Sb doped specimen was higher than that of the undoped Sb specimen. Compared to intrinsic Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 , Sb doping results in slightly increased thermal conductivity because of the higher electronic contribution. However, the thermal conductivity of Sb doped specimens at 723 K and above was lower than that of intrinsic Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 due to lower grating contribution. The lowest thermal conductivity was 2.3 W / mK (Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 Sb 0.02 , 723K).

도 6a 및 6c은 제조된 시편에 대하여 온도에 따른 무차원 성능지수(ZT)를 나타낸 것이다. 열전재료의 에너지 변환 효율과 관련된 인덱스로서, ZT 값은 하기 수학식 3에 의해 결정되었다.Figures 6A and 6C show the dimensionless figure of merit (ZT) with temperature for the prepared specimens. As an index related to the energy conversion efficiency of the thermoelectric material, the ZT value was determined by the following equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

Figure 112014040447840-pat00003
Figure 112014040447840-pat00003

상기 식에서 me 는 전자 질량이다. 따라서, 우수한 열전재료는 큰 제벡계수(캐리어의 큰 유효 질량), 높은 전기전도도(낮은 캐리어 스캐터링) 및 낮은 열전도도(높은 포논 스캐터링)를 동시에 가져야 한다.Where m e is the electronic mass. Thus, an excellent thermoelectric material must have a high shear coefficient (large effective mass of the carrier), high electrical conductivity (low carrier scattering) and low thermal conductivity (high phonon scattering).

도 6a를 참조하여 설명하면 다음과 같다. Sb가 도핑되지 않은 시편의 ZT 값은 분석한 모든 온도에서 0.05 이하로 매우 낮았다. 그러나 Mg2Si1-xGex 고용체에 Sb가 도핑된 시편의 경우 ZT 값은 현저하게 증가하였고 Mg2Si와 Mg2Ge가 고용체를 형성함에 의해 열전도도는 감소하였는 바 열전성능의 향상을 확인할 수 있다. 또한 전기전도도와 제벡계수는 캐리어 농도 최적화를 위한 Sb 도핑에 의해 제어되므로 본 발명에 따르면 열전성능은 더욱 향상될 것이다. 도 6a에서 나타내는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 시편 Mg2Si0.7Ge0.3:Sb0.02 823K에서 ZT=0.50, Mg2Si0.5Ge0.5:Sb0.02 823K에서 ZT=0.56, Mg2Si0.3Ge0.7:Sb0.02 823K에서 ZT=0.32를 나타내었다. Referring to FIG. 6A, the following will be described. The ZT values of the specimens not doped with Sb were very low at less than 0.05 at all the temperatures analyzed. However, the ZT value of the specimen doped with Sb in Mg 2 Si 1-x Ge x solid solution was remarkably increased, and the thermal conductivity decreased due to the formation of solid solution of Mg 2 Si and Mg 2 Ge. . Also, since the electrical conductivity and the Seebeck coefficient are controlled by Sb doping for optimizing the carrier concentration, the thermoelectric performance will be further improved according to the present invention. As shown in FIG. 6A, the specimen Mg 2 Si 0.7 Ge 0.3 : Sb 0.02 prepared according to one embodiment of the present invention At 823K, ZT = 0.50, Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 : Sb 0.02 ZT = 0.56, Mg 2 Si 0.3 Ge 0.7 : Sb 0.02 at 823K At 823K ZT = 0.32.

도 6b를 참조하여 설명하면 다음과 같다. Sb가 도핑되지 않은 시편의 ZT 값은 0.05 이하로 매우 낮았다. 이는 낮은 캐리어 농도(낮은 전기전도도) 때문이다. 그러나 Sb가 도핑된 경우 전기적 물성이 현저하게 개선되었고 높은 제벡계수 값을 나타내었으며 고온에서 낮은 열전도도를 나타내었다. 결과적으로 Sb 도핑으로 ZT 값은 현저하게 증가하였고 최대값은 0.56이었다(Mg2Si0.5Ge0.5Sb0.02, 823K).Referring to FIG. 6B, the following will be described. ZT values of the specimens not doped with Sb were very low, less than 0.05. This is due to the low carrier concentration (low electrical conductivity). However, when Sb was doped, the electrical properties were remarkably improved, the high shear coefficient was obtained, and the low thermal conductivity at high temperature was shown. As a result, the ZT value increased remarkably with Sb doping and the maximum value was 0.56 (Mg 2 Si 0.5 Ge 0.5 Sb 0.02 , 823K).

Claims (15)

Mg 분말, Si 분말, Ge 분말 및 Sb 분말을 포함하는 원료 분말을 혼합하는 단계(단계 a);
상기 단계 a에서 혼합된 분말을 773~973K의 온도범위에서 열처리하여 고체 상태에서 반응시키는 고상반응단계(단계 b); 및
상기 단계 b에서 합성된 분말을 열간압축하는 단계(단계 c)를 포함하는 안티몬이 도핑된 고용체 열전재료 제조방법.
(Step a) of a raw material powder containing Mg powder, Si powder, Ge powder and Sb powder;
A solid phase reaction step (step b) in which the powder mixed in step a) is heat treated in a temperature range of 773 to 973K to react in a solid state; And
And a step (c) of hot compressing the powder synthesized in the step (b).
청구항 1에 있어서,
상기 단계 a는 Mg2Si1-xGexSbm(0<x<1, 0<m≤0.1)의 화학양론조성에 따라 혼합하는 것을 특징으로 하는 안티몬이 도핑된 고용체 열전재료 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (a) is performed according to a stoichiometric composition of Mg 2 Si 1-x Ge x Sb m (0 <x <1, 0 < m ≦ 0.1).
청구항 1에 있어서,
상기 단계 a는 Mg2Si1-xGexSbm(0.3≤x≤0.7, 0.005≤m≤0.03)의 화학양론조성에 따라 혼합하는 것을 특징으로 하는 안티몬이 도핑된 고용체 열전재료 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein said step (a) is performed according to a stoichiometric composition of Mg 2 Si 1-x Ge x Sb m (0.3 ≦ x ≦ 0.7, 0.005 ≦ m ≦ 0.03).
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 단계 b는 1~10시간동안 수행되는 것을 특징으로 하는 안티몬이 도핑된 고용체 열전재료 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (b) is performed for 1 to 10 hours.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 c는 10~100MPa의 압력과 973~1173K의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 안티몬이 도핑된 고용체 열전재료 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (c) is performed at a pressure of 10 to 100 MPa and a temperature range of 973 to 1173K.
청구항 1에 있어서,
상기 고상반응단계를 수행하기 전에, 상기 혼합된 원료물질 분말을 냉간압축하는 것을 특징으로 하는 안티몬이 도핑된 고용체 열전재료 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mixed raw material powder is cold-pressed before performing the solid-phase reaction step.
청구항 7에 있어서,
상기 냉간압축 공정은 10~1000MPa의 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는 안티몬이 도핑된 고용체 열전재료 제조방법.
The method of claim 7,
Wherein the cold compression process is performed at a pressure of 10 to 1000 MPa.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
KR1020140050762A 2014-04-28 2014-04-28 Antimony-doped thermoelectric solid solution materials and method for manufacturing the same KR101574973B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140050762A KR101574973B1 (en) 2014-04-28 2014-04-28 Antimony-doped thermoelectric solid solution materials and method for manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140050762A KR101574973B1 (en) 2014-04-28 2014-04-28 Antimony-doped thermoelectric solid solution materials and method for manufacturing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150124205A KR20150124205A (en) 2015-11-05
KR101574973B1 true KR101574973B1 (en) 2015-12-08

Family

ID=54600459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140050762A KR101574973B1 (en) 2014-04-28 2014-04-28 Antimony-doped thermoelectric solid solution materials and method for manufacturing the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101574973B1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005133202A (en) 2003-10-07 2005-05-26 National Institute For Materials Science Magnesium-metal compound, and its production method
JP2007146283A (en) 2005-10-25 2007-06-14 National Institute For Materials Science Sintered compact of intermetallic compound composed of magnesium, silicon and tin, and its production method

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005133202A (en) 2003-10-07 2005-05-26 National Institute For Materials Science Magnesium-metal compound, and its production method
JP2007146283A (en) 2005-10-25 2007-06-14 National Institute For Materials Science Sintered compact of intermetallic compound composed of magnesium, silicon and tin, and its production method

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150124205A (en) 2015-11-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mi et al. Thermoelectric transport of Se-rich Ag2Se in normal phases and phase transitions
Bux et al. Glass-like lattice thermal conductivity and high thermoelectric efficiency in Yb 9 Mn 4.2 Sb 9
Ning et al. Enhanced thermoelectric performance of porous magnesium tin silicide prepared using pressure-less spark plasma sintering
JP4726747B2 (en) Sintered body of intermetallic compound composed of magnesium, silicon and tin and method for producing the same
Bentien et al. Experimental and theoretical investigations of strongly correlated FeSb 2− x Sn x
Duan et al. Ultra-fast synthesis for Ag 2 Se and CuAgSe thermoelectric materials
Xing et al. Self-propagation high-temperature synthesis of half-Heusler thermoelectric materials: reaction mechanism and applicability
Ahn et al. Thermoelectric properties of Zn4Sb3 prepared by hot pressing
Chetty et al. The effect of Cu addition on the thermoelectric properties of Cu2CdGeSe4
JP6608961B2 (en) P-type skutterudite thermoelectric material, method for producing the same, and thermoelectric element including the same
Zhang et al. High pressure synthesis of Te-doped CoSb 3 with enhanced thermoelectric performance
Li et al. Enhanced thermoelectric performance of bismuth-doped magnesium silicide synthesized under high pressure
Isoda et al. Thermoelectric Properties of Sb-Doped Mg 2 Si Prepared Using Different Silicon Sources
Lee et al. Improved carrier transport properties by I-doping in n-type Cu0. 008Bi2Te2. 7Se0. 3 thermoelectric alloys
Isoda et al. Effects of Al/Sb double doping on the thermoelectric properties of Mg 2 Si 0.75 Sn 0.25
Arai et al. Thermoelectric properties of Sb-doped Mg2 (Si0. 95Ge0. 05) synthesized by spark plasma sintering
Cho et al. Cu–Bi–Se-based pavonite homologue: a promising thermoelectric material with low lattice thermal conductivity
Young Cho et al. Thermoelectric performance of p-type skutterudites YbxFe4− yPtySb12 (0.8≤ x≤ 1, y= 1 and 0.5)
KR101574973B1 (en) Antimony-doped thermoelectric solid solution materials and method for manufacturing the same
Ur et al. Thermoelectric properties of Zn 4 Sb 3 processed by sintering of cold pressed compacts and hot pressing
KR20170069795A (en) Half-heusler type thermoelectric material, method for manufacturing the same, thermoelectric element comprising the same
KR101616841B1 (en) Bismuth-doped thermoelectric solid solution materials and method for manufacturing the same
KR20190046484A (en) Thermoelectric materials and fabrication method of the same
KR102269404B1 (en) Selenium content increased thermal element
You et al. Thermoelectric properties of Bi-doped Mg 2 Si 1− x Sn x prepared by mechanical alloying

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181005

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190923

Year of fee payment: 5