KR102032194B1 - Composite thermoelectric material and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

복합 열전 재료 및 이의 제조 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 복합 열전 재료는, 열전 재료(thermoelectric material)의 매트릭스(matrix)와, 상기 매트릭스 내에 분산된 탄소 동소체(allotrope of carbon)를 포함한다.Composite thermoelectric materials and methods of making the same are disclosed. The composite thermoelectric material according to one embodiment includes a matrix of thermoelectric material and an alloy of carbon dispersed in the matrix.

Figure R1020170182860
Figure R1020170182860

Description

복합 열전 재료 및 이의 제조 방법{COMPOSITE THERMOELECTRIC MATERIAL AND PREPARATION METHOD THEREOF}Composite thermoelectric material and its manufacturing method {COMPOSITE THERMOELECTRIC MATERIAL AND PREPARATION METHOD THEREOF}

본 개시내용은 복합 열전 재료 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to composite thermoelectric materials and methods of making the same.

열전(ThermoElectric, TE) 기술은 에너지 수집 기술로, 지구 온난화를 일으키는 온실 가스를 줄이기 위한 세계적 수요에 부응하여 재생가능하고, 지속 가능한 에너지원으로 개발되고 있다.Thermoelectric (TE) technology is an energy collection technology that is being developed as a renewable and sustainable energy source in response to global demand to reduce greenhouse gases causing global warming.

열전 기술은 버려진 폐열을 활용하여 전력을 생산하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 열전 장치의 효율은 열전 재료의 성능에 의해 크게 좌우되기 때문에, 고성능 열전 재료는 폐열을 전기로 전환시켜 전력을 생성하거나 전기를 사용하여 온도 차이를 발생시켜 냉각시키는데 있어 매우 중요하다.Thermoelectric technology is expected to play an important role in generating power from waste heat. Since the efficiency of a thermoelectric device is highly dependent on the performance of the thermoelectric material, high performance thermoelectric materials are very important in converting waste heat into electricity to generate power or using electricity to generate temperature differences to cool.

열전 재료의 성능은 무차원(dimensionless)의 성능 지수(figure of merit)인 ZT 값에 의해 결정된다. 그러나 높은 ZT 값을 가지는 열전 재료를 제조하는 것에 많은 어려움이 있다.The performance of a thermoelectric material is determined by the ZT value, which is a dimensionless figure of merit. However, there are many difficulties in manufacturing thermoelectric materials with high ZT values.

성능 계수는 전기 전도도와 제벡 계수의 제곱을 곱한 파워 팩터에 온도를 곱한 후 열 전도도로 나눈 값으로 정의된다. 여기서 전기 전도도와 제벡 계수는 캐리어 농도에 따라 반비례 관계를 가지기 때문에 성능 계수를 높이는 것에 어려움이 있다.The coefficient of performance is defined as the power factor multiplied by the square of the electrical conductivity and the Seebeck coefficient multiplied by the temperature and then divided by the thermal conductivity. The electrical conductivity and the Seebeck coefficient have an inverse relationship with the carrier concentration, which makes it difficult to increase the performance coefficient.

이러한 이유로 성능 계수는 오랜 기간 동안 1의 한계를 가지는 것으로 여겨 졌다. 하지만 최근 연구를 통해 열 전도도를 낮춤으로써 1을 능가하는 성능 계수를 가지는 열전 재료가 개발되고 있다.For this reason, the performance factor was considered to have a limit of 1 for a long time. However, recent research has developed thermoelectric materials with performance coefficients above 1 by lowering thermal conductivity.

한국 공개특허번호 10-2014-0139908 (2014. 12. 08)Korea Patent Publication No. 10-2014-0139908 (2014. 12. 08)

이하에 기술된 실시예들은 높은 성능 계수를 가지는 복합 열전 재료 및 이를 제조하는 기술을 제공한다.The embodiments described below provide composite thermoelectric materials with high coefficients of performance and techniques for making them.

일 실시예에 따른 복합 열전 재료는, 열전 재료(thermoelectric material)의 매트릭스(matrix)와, 상기 매트릭스 내에 분산된 탄소 동소체(allotrope of carbon)를 포함한다.The composite thermoelectric material according to one embodiment includes a matrix of thermoelectric material and an alloy of carbon dispersed in the matrix.

상기 열전 재료는, Bi-Sb-Se-Te 기반 열전 재료를 포함할 수 있다.The thermoelectric material may include a Bi-Sb-Se-Te based thermoelectric material.

상기 Bi-Sb-Se-Te 기반 열전 재료는, 하기의 화학식 1로 이루어진 물질을 포함할 수 있다.The Bi-Sb-Se-Te based thermoelectric material may include a material consisting of Chemical Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

Bi2-aSbaSe3-bTeb (0≤a≤2, 0≤b≤3) Bi 2-a Sb a Se 3-b Te b (0≤a≤2, 0≤b≤3)

상기 탄소 동소체는, 그래핀(graphene) 및 탄소 나노 튜브(carbon nanotube) 중에서 선택될 수 있다.The carbon allotrope may be selected from graphene and carbon nanotubes.

상기 그래핀은, 테이프로 떼어낸 그래핀, CVD(Chemical Vapor Deposition) 성장된 그래핀, 허머스(Hummer's) 방법으로 제조된 그래핀 옥사이드 및 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)를 포함할 수 있고, 상기 탄소 나노 튜브는, 단일벽 탄소 나노 튜브, 이중벽 탄소 나노 튜브 및 다중벽 탄소 나노 튜브를 포함할 수 있다.The graphene may include graphene peeled off from a tape, chemical vapor deposition (CVD) grown graphene, graphene oxide prepared by Hummers' method, and reduced graphene oxide. The carbon nanotubes may include single wall carbon nanotubes, double wall carbon nanotubes, and multiwall carbon nanotubes.

상기 탄소 동소체는 상기 복합 열전 재료에, 복합 열전 재료의 전체 부피를 기준으로 하여, 10 부피 백분율(vol %) 이하로, 바람직하게는 0.1 vol% 내지 0.8 vol%의 양으로, 가장 바람직하게는 0.4 vol%의 양으로 포함될 수 있다.The carbon allotrope is in the composite thermoelectric material, based on the total volume of the composite thermoelectric material, up to 10% by volume (vol%), preferably in an amount of 0.1 vol% to 0.8 vol%, most preferably 0.4 May be included in an amount of vol%.

상기 복합 열전 재료의 그레인 크기(grain size)는 상기 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료(pristine thermoelectric material)의 그레인 크기에 비하여 작을 수 있다.The grain size of the composite thermoelectric material may be smaller than the grain size of a pristine thermoelectric material that does not include the carbon allotrope.

상기 복합 열전 재료는, 상기 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 높은 홀 캐리어 이동도(hole carrier mobility)를 가질 수 있다.The composite thermoelectric material may have a higher hole carrier mobility than the pristine thermoelectric material not containing the carbon allotrope.

상기 복합 열전 재료는, 상기 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 높은 성능 계수(ZT)를 가질 수 있다.The composite thermoelectric material may have a higher coefficient of performance (ZT) than a pristine thermoelectric material not containing the carbon allotrope.

일 실시예에 따른 복합 열전 재료 제조 방법은, 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 제공하는 단계와, 상기 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 탄소 동소체 파우더와 혼합(mix)하여 혼합 파우더를 생성하는 단계와, 상기 혼합 파우더를 성형하여 리본(ribbon)을 형성하는 단계와, 상기 리본을 분쇄(pulverize)하는 단계와, 상기 분쇄된 리본을 소결하여 탄소 동소체가 분산된 열전 재료의 매트릭스를 생성하는 단계를 포함한다.According to one embodiment, a method of manufacturing a composite thermoelectric material includes: providing a pulverized thermoelectric material, mixing the pulverized thermoelectric material with a carbon allotrope powder to generate a mixed powder; Forming a ribbon by molding the mixed powder; pulverizing the ribbon; and sintering the pulverized ribbon to produce a matrix of thermoelectric material in which carbon allotrope is dispersed. do.

상기 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 제공하는 단계는, 열전 재료를 구성하는 원소 물질을 출발 물질로 사용하여 열전 재료의 잉곳(ingot)을 생성하는 단계와, 상기 열전 재료의 잉곳을 분쇄(pulverize)하는 단계를 포함할 수 있다.Providing the pulverized thermoelectric material may include generating an ingot of a thermoelectric material using the elemental material constituting the thermoelectric material as a starting material, and pulverizing the ingot of the thermoelectric material. It may include the step.

상기 탄소 동소체는 그래핀 및 탄소 나노 튜브 중에서 선택될 수 있다.The carbon allotrope may be selected from graphene and carbon nanotubes.

상기 리본을 형성하는 단계는, 급속 고화법(rapid solidification method)을 이용하여 수행되는 것일 수 있다.The forming of the ribbon may be performed by using a rapid solidification method.

상기 급속 고화법은, 용융 스피닝법(melt spinning method), 가스원자화법(gas atomization method), 플라즈마 증착법(plasma deposition method), 원심 분무법(centrifugal atomization method) 및 스플랫 ?치법(splat quenching method)으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The rapid solidification method is a melt spinning method, a gas atomization method, a plasma deposition method, a centrifugal atomization method and a splat quenching method. It may be selected from the group consisting of.

상기 리본을 형성하는 단계는 용융 스피닝법을 이용해 수행되고, 상기 용융 스피닝법은, 상기 혼합 파우더를 용융시키는(melt) 단계와, 용융된 혼합 파우더를 냉각(cooling)시키는 단계를 포함할 수 있다.The forming of the ribbon may be performed using a melt spinning method, and the melt spinning method may include melting the mixed powder and cooling the molten mixed powder.

상기 냉각시키는 단계는, 105K/sec 내지 107K/sec의 냉각률(cooling rate)로 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.The cooling may include cooling at a cooling rate of 10 5 K / sec to 10 7 K / sec.

상기 리본을 분쇄하는 단계는, 건식 분쇄 방법을 이용하여 상기 리본을 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.The grinding of the ribbon may include grinding the ribbon using a dry grinding method.

상기 건식 분쇄는, 볼 밀링(ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling), 고에너지 밀링(high energy milling), 제트 밀링(zet milling) 및 막자 사발 분쇄로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The dry grinding may be selected from the group consisting of ball milling, attrition milling, high energy milling, jet milling and mortar bowl grinding.

상기 소결은, 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 또는 핫프레스 소결(hot press sintering)을 포함할 수 있다.The sintering may include spark plasma sintering or hot press sintering.

상기 매트릭스를 생성하는 단계는, 300℃ 내지 800℃의 온도 조건, 1Pa 내지 100Pa의 압력 조건 및 진공 조건 중 적어도 하나의 조건 하에서 1분 내지 10분 동안 상기 분쇄된 리본을 소결하는 단계를 포함할 수 있다.Generating the matrix may include sintering the pulverized ribbon for 1 minute to 10 minutes under at least one of a temperature condition of 300 ° C. to 800 ° C., a pressure condition of 1 Pa to 100 Pa, and a vacuum condition. have.

도 1은 일 실시예에 따른 복합 열전 재료의 제조 방법의 예를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 용융 스피닝(melt spinning) 방법의 예를 나타낸다.
도 3a는 도 2에 도시된 리본 접촉 표면의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지의 예를 나타낸다.
도 3b는 도 2에 도시된 리본 자유 표면의 SEM이미지의 예를 나타낸다.
도 3c는 도 2에 도시된 리본에 분산된 환원된 그래핀 옥사이드(RGO)의 SEM 이미지의 예를 나타낸다.
도 4a는 탄소 동소체가 포함되지 않은 열전 재료 펠릿의 파단면(fracture surface)의 SEM 이미지의 예를 나타낸다.
도 4b는 0.1 부피 백분율의 RGO가 포함된 복합 열전 재료 펠릿의 파단면의 SEM 이미지의 예를 나타낸다.
도 4c는 0.4 부피 백분율의 RGO가 포함된 복합 열전 재료 펠릿의 파단면의 SEM 이미지의 예를 나타낸다.
도 4d는 0.8부피 백분율의 RGO가 포함된 복합 열전 재료 펠릿의 파단면의 SEM 이미지의 예를 나타낸다.
도 5는 복합 열전 재료의 스파크 플라즈마 소결 방향에 수직한 방향으로 수행된 XRD(X-Ray Diffraction) 패턴의 예를 나타낸다.
도 6a는 탄소 동소체에 라만 스펙트로스코피(Raman spectroscopy)를 수행한 결과의 예를 나타낸다.
도 6b는 복합 열전 재료에 라만 스펙트로스코피를 수행한 결과의 예를 나타낸다.
도 7a는 탄소 동소체 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 전기 전도도의 온도 의존성의 예를 나타낸다.
도 7b는 탄소 동소체 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 캐리어 농도 및 이동도의 변화의 예를 나타낸다.
도 7c는 탄소 동소체 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 제벡 계수(Sebeck Coefficient)의 온도 의존성의 예를 나타낸다.
도 7d는 탄소 동소체 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 파워 팩터(Power Factor)의 온도 의존성의 예를 나타낸다.
도 8a는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 열 전도도의 온도 의존성을 나타낸다.
도 8b는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 격자 열 전도도의 온도 의존성을 나타낸다.
도 8c는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 성능 계수의 온도 의존성을 나타낸다.
1 shows an example of a method of manufacturing a composite thermoelectric material according to one embodiment.
FIG. 2 shows an example of the melt spinning method shown in FIG. 1.
3A shows an example of a scanning electron microscope (SEM) image of the ribbon contact surface shown in FIG. 2.
3B shows an example of an SEM image of the ribbon free surface shown in FIG. 2.
FIG. 3C shows an example of an SEM image of reduced graphene oxide (RGO) dispersed in the ribbon shown in FIG. 2.
4A shows an example of an SEM image of the fracture surface of a thermoelectric material pellet without carbon allotrope.
4B shows an example of an SEM image of the fracture surface of a composite thermoelectric material pellet containing 0.1 volume percent RGO.
4C shows an example of an SEM image of the fracture surface of a composite thermoelectric material pellet with 0.4% by volume of RGO.
4D shows an example of an SEM image of the fracture surface of a composite thermoelectric material pellet with 0.8% volume RGO.
5 shows an example of an X-ray diffraction (XRD) pattern performed in a direction perpendicular to the spark plasma sintering direction of the composite thermoelectric material.
6A shows an example of the result of performing Raman spectroscopy on a carbon allotrope.
6B shows an example of the results of performing Raman spectroscopy on a composite thermoelectric material.
7A shows an example of the temperature dependence of the electrical conductivity of a composite thermoelectric material according to the carbon allotrope volume percentage.
7B shows an example of changes in carrier concentration and mobility of the composite thermoelectric material according to carbon allotrope volume percentage.
7C shows an example of the temperature dependence of the Seebeck Coefficient of the composite thermoelectric material according to the carbon allotrope volume percentage.
7D shows an example of the temperature dependence of the Power Factor of the composite thermoelectric material according to the carbon allotrope volume percentage.
8A shows the temperature dependence of the thermal conductivity of a composite thermoelectric material according to the volume percentage of carbon allotrope.
8B shows the temperature dependence of the lattice thermal conductivity of the composite thermoelectric material according to the volume percentage of carbon allotrope.
8C shows the temperature dependence of the coefficient of performance of the composite thermoelectric material according to the volume percentage of carbon allotrope.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments according to the inventive concept disclosed herein are merely illustrated for the purpose of describing the embodiments according to the inventive concept, and the embodiments according to the inventive concept. These may be embodied in various forms and are not limited to the embodiments described herein.

본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Embodiments according to the inventive concept may be variously modified and have various forms, so embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments in accordance with the concept of the present invention to specific embodiments, and includes modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from another component, for example, without departing from the scope of the rights according to the inventive concept, the first component may be called a second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between. Expressions describing relationships between components, such as "between" and "immediately between" or "directly neighboring", should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the terms "comprise" or "have" are intended to designate that the stated feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof is present, but one or more other features or numbers, It is to be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, actions, components, parts or combinations thereof.

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 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and are not construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined herein. Do not.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

도 1은 일 실시예에 따른 복합 열전 재료의 제조 방법의 예를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 용융 스피닝(melt spinning) 방법의 예를 나타낸다.FIG. 1 illustrates an example of a method of manufacturing a composite thermoelectric material, and FIG. 2 illustrates an example of a melt spinning method illustrated in FIG. 1.

도 1 및 도 2를 참조하면, 복합 열전 재료는 Bi(비스무트)-Te(텔루륨) 기반의 열전 재료를 이용하여 제조될 수 있다. 상기 열전 재료는 Bi-Sb(안티모니)-Te 기반 열전 재료를 포함할 수 있다. 1 and 2, the composite thermoelectric material may be manufactured using a Bi (bismuth) -Te (tellurium) based thermoelectric material. The thermoelectric material may include a Bi-Sb (antimony) -Te based thermoelectric material.

상기 열전 재료는 Bi-Sb-Te-Se(셀레늄)을 포함할 수도 있다. 상기 열전 재료는, 하기 화학식 1로 표시되는 것을 포함할 수 있다:The thermoelectric material may include Bi-Sb-Te-Se (selenium). The thermoelectric material may include one represented by Formula 1 below:

[화학식 1][Formula 1]

Bi2 - aSbaSe3 - bTeb (0≤a≤2, 0≤b≤3)Bi 2 - a Sb a Se 3 - b Te b (0≤a≤2, 0≤b≤3)

일 실시예에서, 열전 재료는 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3일 수 있다.In one embodiment, the thermoelectric material is Bi 0 . 36 Sb 1 . It can be 64 Te 3 .

복합 열전 재료(composite thermoelectric material) 제조 방법은 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 제공하는 단계는 열전 재료를 구성하는 원소 물질을 출발물질로 하여 열전 재료의 잉곳(ingot)을 생성하는 단계와, 열전 재료의 잉곳을 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.The method of manufacturing a composite thermoelectric material may include providing a pulverized thermoelectric material. Providing the pulverized thermoelectric material may include generating an ingot of the thermoelectric material using the elemental material constituting the thermoelectric material as a starting material, and grinding the ingot of the thermoelectric material. .

열전 재료의 잉곳을 생성하기 위해서, 고순도(99.999%) 원소상 Bi, Sb, Te 그래뉼이 제조하고자 하는 열전 재료의 화학식에 맞게 계량될 수 있다. 예를 들어, Bi, Sb, Te의 양은 화학식 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3에 맞게 계량될 수 있다. To produce ingots of thermoelectric materials, high purity (99.999%) elemental Bi, Sb, Te granules can be metered according to the chemical formula of the thermoelectric material to be prepared. For example, the amount of Bi, Sb, Te is represented by the formula Bi 0 . 36 Sb 1 . It can be weighed to 64 Te 3 .

준비된 원료들을 쿼츠 앰플(quartz ampule)에 로딩하고, 진공 하에서 밀봉(sealing)시킨다. 쿼츠 앰플을 1373 K에서 4시간 동안 가열한 후, 물로 급냉시켜 열전 재료의 잉곳(ingot)을 생성한다.The prepared raw materials are loaded into a quartz ampule and sealed under vacuum. The quartz ampoule is heated at 1373 K for 4 hours and then quenched with water to create an ingot of thermoelectric material.

복합 열전 재료 제조 방법은 열전 재료의 잉곳을 분쇄(pulverize)하는 단계를 포함할 수 있다. 복합 열전 재료 제조 방법은 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 탄소 동소체 파우더와 혼합(mix)하여 혼합 파우더(10)를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 탄소 동소체는 그래핀 및 탄소 나노 튜브(carbon nanotube)를 포함할 수 있다. 그래핀은 모상 내에 확산되지 않으므로 2차상을 제조하는데 있어 유리하다.The method of manufacturing a composite thermoelectric material can include pulverizing an ingot of a thermoelectric material. The method of manufacturing a composite thermoelectric material may include mixing the pulverized thermoelectric material with the carbon allotrope powder to produce the mixed powder 10. The carbon allotrope may comprise graphene and carbon nanotubes. Graphene does not diffuse in the mother phase, which is advantageous for producing the secondary phase.

예를 들어, 열전 재료의 잉곳은 분쇄된 후, spex-mill을 이용하여 1시간 동안 환원된 그래핀 옥사이드(Reduced Graphene Oxide, RGO) 나노파우더와 혼합(mix)되어 혼합 파우더(10)가 생성될 수 있다.For example, the ingot of the thermoelectric material is pulverized and then mixed with the reduced graphene oxide (RGO) nanopowder reduced for 1 hour using a spex-mill to produce a mixed powder 10. Can be.

복합 열전 재료 제조 방법은 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 탄소 동소체 파우더와 혼합(mix)하여 혼합 파우더를 생성하는 단계와, 혼합 파우더를 성형하여 리본(ribbon)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The method of manufacturing a composite thermoelectric material may include mixing a pulverized thermoelectric material with a carbon allotrope powder to produce a mixed powder, and molding the mixed powder to form a ribbon.

리본(50)을 형성하는 단계는 급속 고화법(rapid solidification method)을 이용하여 수행될 수 있다. 급속 고화법에 따라 혼합 파우더를 성형하여 리본을 형성하는 단계는 리본 형태 외에, 다양한 형상의 입자를 형성할 수 있다. 예를 들어, 급속 고화법을 이용하여 혼합 파우더를 성형하여 구형의 입자를 형성할 수도 있다.Forming the ribbon 50 may be performed using a rapid solidification method. The step of forming the ribbon by molding the mixed powder according to the rapid solidification method may form particles of various shapes in addition to the ribbon form. For example, the spherical particles may be formed by molding the mixed powder using the rapid solidification method.

급속 고화법은 용융 스피닝법(melt spinning method), 가스원자화법(gas atomization method), 플라즈마 증착법(plasma deposition method), 원심 분무법(centrifugal atomization method) 및 스플랫 ?치법(splat quenching method)로 이루어진 그룹에서 선택된 것일 수 있다. 예를 들어, 급속 고화법은 용융 스피닝법일 수 있다.Rapid solidification method is a group consisting of melt spinning method, gas atomization method, plasma deposition method, centrifugal atomization method and splat quenching method It may be selected from. For example, the rapid solidification method may be a melt spinning method.

리본을 형성하는 단계는 용융 스피닝법을 이용해 수행되고, 용융 스피닝법은 혼합 파우더를 용융시키는(melt) 단계와, 용융된 혼합 파우더를 냉각(cooling)시키는 단계를 포함할 수 있다.Forming the ribbon may be performed using a melt spinning method, which may include melting the mixed powder and cooling the molten mixed powder.

리본(50)을 형성하는 단계는 혼합 파우더(10)를 냉간 성형하는 것에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 혼합 파우더(10)를 유압 프레스(hydraulic press)로 냉간 압축(cold compacted)한 후, 0.4mm 직경의 노즐을 가지는 흑연 몰드(graphite mold, 20)에 주입할 수 있다.Forming the ribbon 50 may be performed by cold forming the mixed powder 10. For example, the mixed powder 10 may be cold compacted by a hydraulic press and then injected into a graphite mold 20 having a 0.4 mm diameter nozzle.

흑연 몰드(20)에 주입된 혼합 파우더(10)는 나노 구조화(nanostructuring) 및 RGO와 BST의 균일한 혼합물(homogeneous mixture)을 형성하기 위하여 용융 스피닝될 수 있다.The mixed powder 10 injected into the graphite mold 20 may be melt spun to form nanostructures and a homogeneous mixture of RGO and BST.

예를 들어, 용융 스피닝 처리에서 Cu(구리) 휠(wheel 또는 롤러(roller), 40)은 1000 rpm으로 회전되고, 냉간 압축된 파우더는 인덕션(30)에 의해 용융될 수 있다. 용융 스피닝 처리에 의해서 리본(50)이 형성될 수 있다.For example, in the melt spinning process, a Cu (copper) wheel or roller 40 may be rotated at 1000 rpm and the cold compressed powder may be melted by the induction 30. The ribbon 50 may be formed by melt spinning treatment.

리본(50)은 접촉 표면(contact surface)에서 비정질 구조(amorphous structure)를 보이고, 자유 표면(free surface)에서 결정질 나노구조(crystalline nanostructure)를 보일 수 있다. 결정질 나노 구조는 200 내지 300 nm폭을 가질 수 있다. 접촉 표면은 구리 휠(40)과 접촉되는 표면을 의미할 수 있고, 자유 표면은 접촉 표면의 반대쪽 표면을 의미할 수 있다.The ribbon 50 can show an amorphous structure at the contact surface and a crystalline nanostructure at the free surface. The crystalline nanostructures may have a width of 200 to 300 nm. The contact surface may mean the surface in contact with the copper wheel 40, and the free surface may mean the surface opposite the contact surface.

용융된 혼합 파우더(10)는 냉각되어 리본(50)을 형성할 수 있다. 용융된 혼합 파우더(10)를 냉각시키는 단계는 105K/sec 내지 107K/sec의 냉각률(cooling rate)로 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.The molten mixed powder 10 may be cooled to form the ribbon 50. Cooling the molten mixed powder 10 may include cooling at a cooling rate of 10 5 K / sec to 10 7 K / sec.

복합 열전 재료 제조 방법은 리본을 분쇄(pulverize)하는 단계와, 상기 분쇄된 리본을 소결하여 탄소 동소체가 분산된 열전 재료의 매트릭스를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.The method of manufacturing a composite thermoelectric material may include pulverizing a ribbon, and sintering the pulverized ribbon to generate a matrix of thermoelectric materials in which carbon allotrope is dispersed.

상기 리본을 분쇄하는 단계는 건식 분쇄 방법을 이용하는 단계를 포함할 수 있다. 건식 분쇄 방법은 볼 밀링(ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling), 고에너지 밀링(high energy milling), 제트 밀링(zet milling) 및 막자 사발 분쇄로 이루어진 그룹에서 선택된 것일 수 있다. 예를 들어 리본(50)은 막자 사발 및 막자를 이용하여 분쇄될 수 있다.Crushing the ribbon may include using a dry crushing method. The dry grinding method may be selected from the group consisting of ball milling, attrition milling, high energy milling, jet milling and mortar bowl grinding. For example, the ribbon 50 can be milled using a mortar and pestle.

소결은 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 또는 핫프레스 소결(hot press sintering)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 소결은 스파크 플라즈마 소결일 수 있다.Sintering may include spark plasma sintering or hot press sintering. For example, the sintering can be spark plasma sintering.

탄소 동소체가 분산된 열전 재료의 매트릭스를 생성하는 단계는 300℃ 내지 800℃의 온도 조건, 1Pa 내지 100Pa의 압력 조건 및 진공 조건 중 적어도 하나의 조건 하에서 1분 내지 10분 동안 상기 분쇄된 리본(50)을 소결하는 단계를 포함할 수 있다.The step of producing a matrix of thermoelectric material in which the carbon allotrope is dispersed may be performed for 1 minute to 10 minutes under at least one of a temperature condition of 300 ° C. to 800 ° C., a pressure condition of 1 Pa to 100 Pa, and a vacuum condition. Sintering) may be included.

예를 들어, 분쇄된 리본(50)은 753 K의 온도 조건, 60 MPa의 압력 조건에서 3분 동안 소결될 수 있다. 분쇄된 리본(50)은 스파크 플라즈마 소결되어 탄소 동소체가 분산된 열전 재료의 매트릭스를 포함하는 펠릿으로 형성될 수 있다. 형성된 펠릿(pellet)은 12.5 mm의 직경 및 10 mm의 크기를 가질 수 있다.For example, the pulverized ribbon 50 may be sintered for 3 minutes at a temperature condition of 753 K and a pressure condition of 60 MPa. The pulverized ribbon 50 may be formed into pellets comprising a matrix of thermoelectric material in which the carbon allotrope is dispersed by spark plasma sintering. The pellets formed may have a diameter of 12.5 mm and a size of 10 mm.

그래핀은 소결 과정 중에 모상의 그레인 간 확산을 막아서 그레인 크기를 줄일 수 있다. 그래핀은 전하 농도를 유지하면서 이동도를 높이고, 격자 열 전도도를 낮추어 복합 열전 재료의 열전 성능을 향상시킬 수 있다.Graphene can reduce grain size by preventing diffusion between parent grains during the sintering process. Graphene can improve the thermoelectric performance of composite thermoelectric materials by increasing mobility and lowering lattice thermal conductivity while maintaining charge concentrations.

본 명세서에 예시된 복합 열전 재료 제조 방법은 방코발트광(skutterudite), 반 호이슬러(half-Heusler) 및 PbTe와 같은 다양한 열전 재료에도 적용될 수 있다.The method of manufacturing the composite thermoelectric material illustrated herein can also be applied to various thermoelectric materials such as skutterudite, half-Heusler and PbTe.

도 3a는 도 2에 도시된 리본 접촉 표면의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지의 예를 나타내고, 도 3b는 도 2에 도시된 리본 자유 표면의 SEM이미지의 예를 나타내고, 도 3c는 도 2에 도시된 리본에 분산된 RGO의 SEM 이미지의 예를 나타낸다.3A shows an example of a scanning electron microscope (SEM) image of the ribbon contact surface shown in FIG. 2, FIG. 3B shows an example of an SEM image of the ribbon free surface shown in FIG. 2, and FIG. 3C is shown in FIG. An example of an SEM image of the RGO dispersed in the ribbon is shown.

도 3a 내지 3c를 참조하면, 도 3a 내지 도 3c는 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3와 RGO가 혼합된 혼합 파우더로부터 생성된 리본(50)의 이미지를 나타낸다. 용융 스피닝 공정에서 용융된 열전 재료의 난류(turbulent flow)로 인하여, 열전 재료의 매트릭스에 균일하게 분산된 탄소 동소체를 포함하는 복합 열전 재료가 획득될 수 있다.3A-3C, FIGS. 3A-3C show Bi 0 . 36 Sb 1 . An image of a ribbon 50 produced from a mixed powder of 64 Te 3 and RGO is shown. Due to the turbulent flow of the molten thermoelectric material in the melt spinning process, a composite thermoelectric material comprising carbon allotrogen uniformly dispersed in a matrix of thermoelectric material can be obtained.

용융 스피닝 공정에서의 높은 냉각률(105K/sec 내지 107K/sec)로 인해서 탄소 동소체가 열전 재료의 매트릭스에 균일하게 분산될 수 있다. 높은 전하 이동도를 가지는 탄소 동소체는 열전 재료의 매트릭스로 하여금 높은 전하 이동도를 갖게 할 수 있다. 또한, 탄소 동소체와 열전재료의 결합에 의해 열전 재료와 탄소 동소체의 경계(boundary)가 증가함에 따라 포논(phonon)의 산란이 증가할 수 있다.The high cooling rate (10 5 K / sec to 10 7 K / sec) in the melt spinning process allows the carbon allotrope to be uniformly dispersed in the matrix of thermoelectric material. Carbon allotrope with high charge mobility can cause the matrix of thermoelectric material to have high charge mobility. In addition, as the boundary between the thermoelectric material and the carbon allotrope increases due to the combination of the carbon allotrope and the thermoelectric material, scattering of phonons may increase.

용융 스피닝 공정에 의해서 형성된 리본(50)은 접촉 표면 및 자유 표면으로 구별되는 상이한 마이크로 구조(micro structure)를 가질 수 있다. 도 3a 및 3b에 나타난 바와 같이 접촉 표면은 높은 냉각 속도로 인해 비정질 상을 가지지만, 자유 표면은 200 내지 300 nm 폭의 결정 구조를 가질 수 있다. The ribbon 50 formed by the melt spinning process can have different micro structures that are distinguished by contact surfaces and free surfaces. As shown in FIGS. 3A and 3B, the contact surface has an amorphous phase due to the high cooling rate, but the free surface may have a crystal structure of 200 to 300 nm wide.

복합 열전 재료에 분산된 탄소 동소체의 부피 백분율이 매우 낮기 때문에 도 3c에서와 같이 복합 열전 재료에 분산된 탄소 동소체를 찾는 것은 쉽지 않다. 탄소 동소체는 1 내지 5 마이크로미터 크기로, 자유 표면 상에서 드물게 발견될 수 있다. 탄소 동소체와 열전 재료가 혼합될 때, 탄소 동소체의 낮은 분자량으로 인해 열전 재료의 매트릭스에 탄소 동소체가 떠다닐 수 있다.Since the volume percentage of carbon allotrope dispersed in the composite thermoelectric material is very low, it is not easy to find the carbon allotrope dispersed in the composite thermoelectric material as shown in FIG. 3C. Carbon allotropees are 1 to 5 micrometers in size and can be rarely found on free surfaces. When the carbon allotrope and thermoelectric material are mixed, the carbon allotrope can float in the matrix of the thermoelectric material due to the low molecular weight of the carbon allotrope.

도 4a는 탄소 동소체가 포함되지 복합 열전 재료 펠릿의 파단면(fracture surface)의 SEM 이미지의 예를 나타내고, 도 4b는 0.1 부피 백분율의 탄소 동소체가 포함된 복합 열전 재료 펠릿의 파단면의 SEM 이미지의 예를 나타내고, 도 4c는 0.4 부피 백분율의 탄소 동소체가 포함된 복합 열전 재료 펠릿의 파단면의 SEM 이미지의 예를 나타내고, 도 4d는 0.8부피 백분율의 탄소 동소체가 포함된 복합 열전 재료 펠릿의 파단면의 SEM 이미지의 예를 나타낸다.4A shows an example of an SEM image of the fracture surface of a composite thermoelectric material pellet not including carbon allotrope, and FIG. 4B is an SEM image of the fracture surface of a composite thermoelectric material pellet containing 0.1 volume percent carbon allotrope. 4C shows an example of an SEM image of the fracture surface of a composite thermoelectric material pellet containing 0.4 volume percent carbon allotrope, and FIG. 4D shows a fracture surface of the composite thermoelectric material pellet containing 0.8 volume percentage carbon allotrope. An example of an SEM image is shown.

도 4a 내지 4d를 참조하면, 복합 열전 재료는 열전 재료(thermoelectric material)의 매트릭스(matrix)와 매트릭스 내에 분산된 탄소 동소체(allotrope of carbon)를 포함한다. 열전 재료는 상기 열전 재료는 BST(Bi-Sb-Te) 기반 열전 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, BST(Bi-Sb-Te) 기반 열전 재료는 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3를 포함할 수 있다.4A-4D, the composite thermoelectric material includes a matrix of thermoelectric material and an alloy of carbon dispersed in the matrix. The thermoelectric material may include a Bi-Sb-Te (BST) based thermoelectric material. For example, BST (Bi-Sb-Te) based thermoelectric materials are Bi 0 . 36 Sb 1 . And 64 Te 3 .

탄소 동소체는 그래핀(graphene) 및 탄소 나노 튜브(carbon nanotube)를 포함할 수 있다. 그래핀은 테이프로 떼어낸 그래핀, CVD(Chemical Vapor Deposition) 성장된 그래핀, 허머스(Hummer's) 방법으로 제조된 그래핀 옥사이드 및 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, RGO)를 포함할 수 있다. 탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노 튜브, 이중벽 탄소 나노 튜브 및 다중벽 탄소 나노 튜브를 포함할 수 있다.Carbon allotrope may include graphene and carbon nanotubes. Graphene may include graphene peeled off from tape, chemical vapor deposition (CVD) grown graphene, graphene oxide produced by Hummer's method and reduced graphene oxide (RGO). have. Carbon nanotubes may include single wall carbon nanotubes, double wall carbon nanotubes, and multiwall carbon nanotubes.

탄소 동소체는 복합 열전 재료에 10 이하의 부피 백분율(vol.%)의 함량으로 포함될 수 있다. 복합 열전 재료의 그레인 크기(grain size)는 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료(pristine thermoelectric material)의 그레인 크기에 비하여 작을 수 있다.The carbon allotrope may be included in the composite thermoelectric material in a volume percentage (vol.%) Of 10 or less. The grain size of the composite thermoelectric material may be small compared to the grain size of the pristine thermoelectric material without carbon allotrope.

도 4a 내지 4c는 열전 재료로 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3를 사용하고, 탄소 동소체로 RGO를 사용하여 제조된 복합 열전재료의 파단면에 관한 이미지를 나타낸다. Bi0 .36Sb1.64Te3의 매트릭스에 분산된 RGO를 포함하는 복합 열전 재료의 파단면은 Bi2Te3 기반의 다결정 물질의 전형적인 마이크로 구조를 나타내는 판 모양(plate-shape)의 그레인(grain)을 가진다.4a to 4c are Bi 0 . 36 Sb 1 . The image of the fracture surface of the composite thermoelectric material produced using 64 Te 3 and RGO as the carbon allotrope is shown. Bi 0 .36 Sb 1.64 Te fracture surface of the composite thermal transfer material comprising a dispersion of 3 to RGO matrix Bi 2 Te grain (grain) of the third polycrystalline typical microstructure of plate-like (plate-shape) indicating the material of the base Has

RGO 가 결합된 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3의 그레인 크기는 RGO가 결합되지 않은 프리스틴(pristine) Bi0 . 36Sb1 . 64Te3의 그레인 크기에 비하여 더 작을 수 있다. RGO가 결합된 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3의 평균 그레인 크기는 RGO의 볼륨 백분율이 0 vol.%, 0.1 vol.%, 0.4 vol.%, 0.8 vol.%로 증가함에 따라, 29.4 um, 25.1 um, 20.1 um 19.7um로 감소할 수 있다. 그레인 크기는 10 개 이상의 그레인들의 크기를 평균하여 측정될 수 있다.Bi 0 combined with RGO . 36 Sb 1 . The grain size of 64 Te 3 is based on pristine Bi 0 . 36 Sb 1 . It may be smaller than the grain size of 64 Te 3 . Bi 0 combined with RGO . 36 Sb 1 . The average grain size of 64 Te 3 decreases to 29.4 um, 25.1 um, 20.1 um and 19.7 um as the volume percentage of RGO increases to 0 vol.%, 0.1 vol.%, 0.4 vol.%, 0.8 vol.%. Can be. Grain size can be measured by averaging the sizes of ten or more grains.

즉, RGO가 포함된 복합 열전 재료가 RGO가 포함되지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 더 작은 그레인 크기를 가지고, RGO의 비율을 조절하여 복합 열전 재료의 그레인 크기가 제어될 수 있다.That is, the composite thermoelectric material including the RGO has a smaller grain size than the pristine thermoelectric material without the RGO, and the grain size of the composite thermoelectric material may be controlled by adjusting the ratio of RGO.

그레인 사이즈가 작아지면, 그레인 경계(grain boundary)에서의 산란이 증가되어, 격자 열 전도도(lattice thermal conductivity, klat)가 낮아질 수 있다.As the grain size becomes smaller, scattering at the grain boundary can be increased, resulting in lower lattice thermal conductivity (k lat ).

도 5는 복합 열전 재료의 스파크 플라즈마 소결 방향에 수직한 방향으로 수행된 XRD(X-Ray Diffraction) 패턴의 예를 나타낸다.5 shows an example of an X-ray diffraction (XRD) pattern performed in a direction perpendicular to the spark plasma sintering direction of the composite thermoelectric material.

도 5를 참조하면, Bi0 . 36Sb1 . 64Te3의 XRD 패턴은 불순물 피크가 없는 능면체 구조(rhombohedral structure)의 Sb2Te3가 보이는 기본 회절 피크들을 나타낼 수 있다. XRD 샘플의 이방성 정도(degree of anisotropy)는 015 플레인의 피크 강도(peak intensity)에 대한 006 플레인의 피크 강도의 비(I006/I015)로 계산될 수 있다. 계산된 이방성 정도는 0.04 내지 0.06의 값을 가질 수 있고 모든 복합 열전 재료들은 작은 이방성을 가질 수 있다.5, Bi 0 . 36 Sb 1 . The XRD pattern of 64 Te 3 may represent basic diffraction peaks showing Sb 2 Te 3 of a rhombohedral structure without impurity peaks. The degree of anisotropy of the XRD sample can be calculated as the ratio of the peak intensity of the 006 plane (I 006 / I 015 ) to the peak intensity of the 015 plane. The calculated degree of anisotropy can have a value between 0.04 and 0.06 and all composite thermoelectric materials can have a small anisotropy.

RGO의 부피 백분율에 따라 이방성 정도가 크게 달라지지 않는 것으로 보아, RGO의 부가가 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3의 결정구조를 거의 변화시키지 않음을 알 수 있다.Since the degree of anisotropy does not vary significantly with the percentage of volume of RGO, the addition of RGO is Bi 0 . 36 Sb 1 . It can be seen that the crystal structure of 64 Te 3 hardly changes.

도 6a는 탄소 동소체에 라만 스펙트로스코피(Raman spectroscopy)를 수행한 결과의 예를 나타내고, 도 6b는 복합 열전 재료에 라만 스펙트로스코피를 수행한 결과의 예를 나타낸다.6A shows an example of the result of performing Raman spectroscopy on a carbon allotrope, and FIG. 6B shows an example of the result of performing Raman spectroscopy on a composite thermoelectric material.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 탄소 동소체 및 복합 열전 재료의 결정도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 탄소 동소체는 RGO이고, 복합 열전 재료는, RGO가 분산된 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3 매트릭스일 수 있다.6A and 6B, the crystallinity of the carbon allotrope and the composite thermoelectric material may be measured. For example, the carbon allotrope is RGO, and the composite thermoelectric material is Bi 0 . 36 Sb 1 . 64 Te 3 matrix.

도 6a 및 도 6b의 라만 스펙트로스코피 결과는 탄소 기반 재료의 전형적인 피크들을 나타낼 수 있다. G 피크(~1350 cm- 1)와 D 피크(~1600 cm- 1)들은 각각 흑연(graphite) 구조와 결함 탄소(defective carbon)으로부터 유래될 수 있다. The Raman spectroscopy results of FIGS. 6A and 6B may represent typical peaks of a carbon based material. G peak (~ 1350 cm - 1) and the D peak (~ 1600 cm - 1) can be derived from each of the graphite (graphite) structure and a carbon defect (defective carbon).

RGO 및 RGO가 분산된 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3 매트릭스의 IG/ID 값은 각각 1.06 및 1.16을 가질 수 있다. 용융 스피닝 공정에서의 가열 과정에서 RGO가 분산된 Bi0.36Sb1.64Te3 매트릭스의 결정도가 향상될 수 있다. 결정도의 향상은 전기 전도도(electrical conductivity, σ)의 증가를 가져올 수 있다.R 0 and Bi 0 with RGO dispersed . 36 Sb 1 . The I G / I D values of the 64 Te 3 matrix may have 1.06 and 1.16, respectively. The crystallinity of the Bi 0.36 Sb 1.64 Te 3 matrix in which RGO is dispersed may be improved during heating in the melt spinning process. An improvement in crystallinity can lead to an increase in electrical conductivity (σ).

도 7a는 탄소 동소체 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 전기 전도도의 온도 의존성의 예를 나타낸다.7A shows an example of the temperature dependence of the electrical conductivity of a composite thermoelectric material according to the carbon allotrope volume percentage.

도 7a를 참조하면, 열전 재료의 성능은 무차원의(dimensionless) 성능 계수 ZT에 의해 결정되는데 ZT는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 7A, the performance of a thermoelectric material is determined by a dimensionless coefficient of performance ZT, which may be represented by Equation (1).

Figure 112017130649241-pat00001
Figure 112017130649241-pat00001

여기서, σ는 전기 전도도를 나타내고, S는 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 나타내고, T는 절대온도를 나타내고, k는 열 전도도를 나타낸다.Where s represents electrical conductivity, S represents Seebeck coefficient, T represents absolute temperature, and k represents thermal conductivity.

또한, 파워 팩터 PF는 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.In addition, the power factor PF may be defined as in Equation 2.

Figure 112017130649241-pat00002
Figure 112017130649241-pat00002

우수한 열전 재료를 만들기 위해서는 높은 전기 전도도 및 제벡 계수를 가지고, 낮은 열 전도도를 가질 수 있어야 한다. 그러나 열전 재료의 전기 전도도와 제벡 계수가 캐리어 농도와 반비례 관계를 가지기 때문에, 열전 재료의 파워 팩터를 개선시키는 것은 어려울 수 있다.To make a good thermoelectric material, it must be able to have high electrical conductivity and Seebeck coefficient and low thermal conductivity. However, since the electrical conductivity and Seebeck coefficient of the thermoelectric material are inversely related to the carrier concentration, it can be difficult to improve the power factor of the thermoelectric material.

열 전도도(k)는 수학식 3과 같이 격자 열 전도도 klat 및 전자 열전도도 kel의 합으로 결정된다. 전자 열전도도 Kel은 수학식 4와 같이 Wiedemann-Franz 법칙에 의해 계산될 수 있다.Thermal conductivity k is determined by the sum of lattice thermal conductivity k lat and electron thermal conductivity k el , as shown in Equation 3 below. The electronic thermal conductivity K el may be calculated by the Wiedemann-Franz law as shown in Equation 4.

Figure 112017130649241-pat00003
Figure 112017130649241-pat00003

Figure 112017130649241-pat00004
Figure 112017130649241-pat00004

여기서 L은 로렌츠 수(Lorenz number)를 의미한다. Where L is the Lorentz number.

도 7a의 그래프는 RGO의 부피 백분율이 0, 0.1, 0.4, 0.8인 경우의 전기 전도도를 나타낸다. 온도를 실온(room temperature)에서 473K까지 증가시킬 경우 반도체 거동이 악화되어 전기 전도도 σ가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 실온에서 RGO의 부피 백분율이 0, 0.1, 0.4로 증가되면서 전기 전도도는 각각 1395 S/cm, 1407 S/cm, 1580 S/cm로 증가하는 것을 확인할 수 있다.The graph of FIG. 7A shows the electrical conductivity when the volume percentage of RGO is 0, 0.1, 0.4, 0.8. Increasing the temperature from room temperature to 473K deteriorates the semiconductor behavior and decreases the electrical conductivity σ. It can be seen that the electrical conductivity increases to 1395 S / cm, 1407 S / cm, and 1580 S / cm, respectively, as the volume percentage of RGO is increased to 0, 0.1, and 0.4 at room temperature.

RGO의 높은 전기 전도도로 인하여 RGO가 분산된 복합 열전 재료가 RGO가 포함되지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 높은 전기 전도도를 가질 수 있다. 하지만, RGO의 부피 백분율이 높아질 경우 분산이 잘 이루어지지 않을 수 있기 때문에, RGO의 부피 백분율이 0.8인 경우 실온에서 전기 전도도가 1333 S/cm으로 약간 감소하는 것을 확인할 수 있다. Due to the high electrical conductivity of the RGO, the composite thermoelectric material in which the RGO is dispersed may have a higher electrical conductivity than the pristine thermoelectric material without the RGO. However, if the volume percentage of the RGO is not good dispersion, it can be seen that when the volume percentage of the RGO is 0.8, the electrical conductivity slightly decreases to 1333 S / cm at room temperature.

샘플들의 캐리어 농도는 홀 계수(Hall Coefficient) RH를 이용하여 추정될 수 있다. 홀 계수는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.The carrier concentration of the samples can be estimated using the Hall Coefficient R H. The Hall coefficient may be expressed as in Equation 5.

Figure 112017130649241-pat00005
Figure 112017130649241-pat00005

여기서 p와 e는 각각 홀 캐리어 농도(hall carrier concentration)과 전자 전하를 나타낸다. 홀 캐리어 이동도(mobility, μ)는 수학식 6를 이용하여 얻어질 수 있다.Where p and e represent hall carrier concentration and electron charge, respectively. The hole carrier mobility (mo) may be obtained by using Equation 6.

Figure 112017130649241-pat00006
Figure 112017130649241-pat00006

도 7b는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 캐리어 농도 및 이동도의 변화의 예를 나타낸다.7B shows examples of changes in carrier concentration and mobility of the composite thermoelectric material depending on the volume percentage of carbon allotrope.

도 7b를 참조하면, 복합 열전 재료는 상기 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 높은 홀 캐리어 이동도(hole carrier mobility)를 가질 수 있다.Referring to FIG. 7B, the composite thermoelectric material may have a higher hole carrier mobility than the pristine thermoelectric material not including the carbon allotrope.

도 7b로부터 복합 열전 재료의 캐리어 농도와 이동도를 나타낼 수 있다. 실온에서 캐리어 농도는 RGO의 부피 백분율에 따라 일정한 값을 보이지만, 이동도는 RGO의 부피 백분율이 0에서 0.4로 증가하면 223 cm2/Vs에서 253 cm2/Vs로 증가하는 것을 확인할 수 있다.The carrier concentration and mobility of the composite thermoelectric material can be shown from FIG. 7B. At room temperature, the carrier concentration showed a constant value according to the volume percentage of RGO, but the mobility increased from 223 cm 2 / Vs to 253 cm 2 / Vs as the volume percentage of RGO increased from 0 to 0.4.

복합 열전 재료의 홀 캐리어 이동도는 높은 캐리어 이동도를 가지는 탄소 동소체와 결합됨으로써 큰 폭으로 향상될 수 있다. RGO의 부피 백분율이 0.1인 경우는 RGO가 포함되지 않은 프리스틴 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3와 비슷한 캐리어 이동도를 나타낼 수 있고, RGO 부피 백분율이 0.8인 경우는 RGO의 불량한 분산으로 인하여 프리스틴 Bi0.36Sb1.64Te3에 비하여 낮은 캐리어 이동도를 가질 수 있다.The hole carrier mobility of the composite thermoelectric material can be greatly improved by combining with a carbon allotrope having a high carrier mobility. If the volume percentage of RGO is 0.1, Pristine Bi 0 without RGO . 36 Sb 1 . Carrier mobility similar to 64 Te 3 can be exhibited, and when the RGO volume percentage is 0.8, the carrier mobility can be lower than that of Pristine Bi 0.36 Sb 1.64 Te 3 due to poor dispersion of RGO.

온도에 따른 전기 전도도 σ(T)는 실온 내지 473K의 온도 범위에서 T-1.5의 지수 법칙을 따를 수 있는데, 이는 홀 캐리어 전송이 음향 포논 산란(acoustic phonon scattering)에 의해 지배됨을 가리킬 수 있다.The electrical conductivity σ (T) with temperature can follow the exponential law of T -1.5 in the temperature range from room temperature to 473K, which can indicate that the hole carrier transmission is dominated by acoustic phonon scattering.

도 7c는 탄소 동소체 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 제벡 계수(Sebeck Coefficient)의 온도 의존성의 예를 나타낸다.7C shows an example of the temperature dependence of the Seebeck Coefficient of the composite thermoelectric material according to the carbon allotrope volume percentage.

도 7c를 참조하면, RGO의 부피 백분율이 0, 0.1, 0.4, 0.8로 변화할 때 Bi0.36Sb1.64Te3의 제벡 계수의 변화를 알 수 있다. 모든 샘플에서 제백 계수가 양의 값을 가지는 것으로부터 다수(major) 캐리어가 홀임을 알 수 있다.Referring to FIG. 7C, it can be seen that the Seebeck coefficient of Bi 0.36 Sb 1.64 Te 3 is changed when the volume percentage of the RGO is changed to 0, 0.1, 0.4, and 0.8. It can be seen that the majority carrier is a hole because the Seebeck coefficient is positive in all samples.

온도가 증가함에 따라 제벡 계수가 증가하는데, 이는 높은 온도에서 소수(minor) 캐리어의 열 여기(thermal excitation)에 의한 것일 수 있다. 실온에서 제벡 계수는 RGO의 부피 백분율이 0, 0.1, 0.4, 0.8인 경우 각각, 170, 172, 171, 166 uV/K일 수 있다. RGO 부피 백분율이 변해도 제벡 계수는 비슷한 값을 가짐을 알 수 있다.Seebeck coefficient increases with increasing temperature, which may be due to thermal excitation of minor carriers at high temperatures. The Seebeck coefficient at room temperature can be 170, 172, 171, 166 uV / K when the volume percentage of RGO is 0, 0.1, 0.4, 0.8, respectively. It can be seen that the Seebeck coefficient has similar values even if the RGO volume percentage changes.

복합 열전 재료 제조 방법에 의해 제조된 복합 열전 재료는 개선된 홀 이동도로 인한 높은 전기 전도도를 가지면서 제벡 계수는 변함 없는 값을 가질 수 있을 뿐 아니라, 원 팟(one pot) 합성 방법의 관점에서 스케일 업(scale-up) 공정에 유리할 수 있다.The composite thermoelectric material produced by the composite thermoelectric material manufacturing method has a high electrical conductivity due to improved hole mobility and the Seebeck coefficient may not only have a constant value, but also scale in terms of a one pot synthesis method. It may be advantageous for scale-up processes.

도 7d는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 파워 팩터(Power Factor)의 온도 의존성의 예를 나타낸다.7D shows an example of the temperature dependence of the Power Factor of a composite thermoelectric material according to the volume percentage of carbon allotrope.

도 7d를 참조하면, 파워 팩터가 온도의 상승에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있다. 파워 팩터는 실온에서 RGO의 부피 백분율이 0.4일 때 46×10-4 W/mK2으로 가장 높은 값을 가짐을 알 수 있다. RGO의 부피 백분율이 0, 0.1, 0.8인 경우 각각 파워 팩터는 각각 40×10-4 W/mK2, 42×10-4 W/mK2, 47×10-4 W/mK2의 값을 가질 수 있다. 최적의 RGO 부피 백분율은 0.4로 RGO가 포함되지 않은 프리스틴 Bi0.36Sb1.64Te3에 비하여 20% 향상된 파워 팩터를 가질 수 있다.Referring to FIG. 7D, it can be seen that the power factor decreases with increasing temperature. It can be seen that the power factor has the highest value of 46 × 10 −4 W / mK 2 when the volume percentage of RGO is 0.4 at room temperature. If the volume percentages of RGO are 0, 0.1 and 0.8, the power factors are 40 × 10 -4 W / mK 2 , respectively. 42 × 10 −4 W / mK 2 and 47 × 10 −4 W / mK 2 . The optimal RGO volume percentage is 0.4, which can have a 20% improvement in power factor compared to Pristine Bi 0.36 Sb 1.64 Te 3 without RGO.

도 8a는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 열 전도도의 온도 의존성을 나타낸다.8A shows the temperature dependence of the thermal conductivity of a composite thermoelectric material according to the volume percentage of carbon allotrope.

도 8a를 참조하면, 열 전도도는 RGO의 부피 백분율에 크게 관계없이 온도에 따라 비슷한 값을 나타내고, 온도가 증가함에 따라 감소하고, 고온에서 약간 증가하는 양극성 전도(bipolar conduction)를 나타냄을 알 수 있다. RGO가 분산된 Bi0.36Sb1.64Te3 샘플은 프리스틴 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3 샘플에 비해서 낮은 열 전도도를 가진다.Referring to FIG. 8A, it can be seen that thermal conductivity shows a similar value with temperature regardless of the volume percentage of RGO, decreases with increasing temperature, and shows bipolar conduction which slightly increases at high temperature. . Bi 0.36 Sb 1.64 Te 3 samples with RGO dispersed prestin Bi 0 . 36 Sb 1 . Lower thermal conductivity compared to 64 Te 3 samples.

음향 포논 산란을 가지는 싱글 파라볼릭 밴드(Single Parabolic Band, SPB) 모델의 가정으로부터 로렌츠 수는 수학식 7 및 수학식 8의 페르미 적분(Fermi integral)을 이용하여 계산될 수 있다.From the assumption of a single parabolic band (SPB) model with acoustic phonon scattering, the Lorentz number can be calculated using the Fermi integral of equations (7) and (8).

Figure 112017130649241-pat00007
Figure 112017130649241-pat00007

Figure 112017130649241-pat00008
Figure 112017130649241-pat00008

여기서, Fn(ξ) 및 ξ는 각각 페르미 적분 및 감소된 페르미 에너지(reduced Fermi energy) ((EF-EC)/kT)에 대응될 수 있고, 음향 포논 산란에 대한 r은 -1/2일 수 있다. 수학식 7 및 수학식 8을 이용하여 로렌츠 수가 수학식 9와 같이 계산될 수 있다.Where F n (ξ) and ξ can correspond to Fermi integration and reduced Fermi energy ((E F -E C ) / kT), respectively, and r for acoustic phonon scattering is -1 / May be two. Using the equations (7) and (8), the Lorentz number can be calculated as shown in equation (9).

Figure 112017130649241-pat00009
Figure 112017130649241-pat00009

수학식 9에 따라 계산된 로렌츠 수는 실온 내지 473K의 범위에서 1.61×10-9 WΩ/K2 내지 1.69×10-9 WΩ/K2의 범위를 가질 수 있다.The Lorentz number calculated according to Equation 9 may range from 1.61 × 10 −9 WΩ / K 2 to 1.69 × 10 −9 WΩ / K 2 at room temperature to 473K.

도 8b는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 격자 열 전도도의 온도 의존성을 나타낸다.8B shows the temperature dependence of the lattice thermal conductivity of the composite thermoelectric material according to the volume percentage of carbon allotrope.

도 8b를 참조하면, 계산된 로렌츠 수를 이용하여 격자 열 전도도 klat이 계산될 수 있다. RGO의 부피 백분율이 0.4인 경우 374 K에서 가장 낮은 격자 열 전도도 값인 0.63 W/mK를 나타내는 것을 확인할 수 있고, 이는 프리스틴 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3의 격자 열전도도 값(0.71 W/mK)에 비해서 11% 낮은 값일 수 있다.Referring to FIG. 8B, the lattice thermal conductivity k lat may be calculated using the calculated Lorentz number. It can be seen that when the volume percentage of RGO is 0.4, it exhibits the lowest lattice thermal conductivity value of 0.63 W / mK at 374 K, which is Pristine Bi 0 . 36 Sb 1 . It may be 11% lower than the lattice thermal conductivity (0.71 W / mK) of 64 Te 3 .

격자 열전도도 값의 감소는 탄소 동소체와 열전 재료 사이의 경계에서의 강화된 산란효과와 감소된 그레인 크기에 기인한 것일 수 있다. 높은 RGO 부피 백분율을 가지는 샘플에서는 RGO의 불량 분산으로 인하여 격자 열전도도가 증가할 수 있다.The reduction in lattice thermal conductivity values may be due to the enhanced scattering effect and reduced grain size at the interface between the carbon allotrope and the thermoelectric material. In samples with high RGO volume percentages, lattice thermal conductivity may increase due to poor dispersion of RGO.

도 8c는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 성능 계수의 온도 의존성을 나타낸다.8C shows the temperature dependence of the coefficient of performance of the composite thermoelectric material according to the volume percentage of carbon allotrope.

도 8c를 참조하면, 복합 열전 재료는 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 높은 성능 계수(ZT)를 가짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 8C, it can be seen that the composite thermoelectric material has a higher coefficient of performance (ZT) compared to a pristine thermoelectric material that does not include a carbon allotrope.

최대 성능 계수 값은 RGO의 부피 백분율이 0, 0.1, 0.4로 증가할수록 증가하고, 부피 백분율이 0.4일 때 393 K의 온도에서 최대 성능 계수 1.16을 가짐을 확인할 수 있다. 모든 샘플에서 성능 계수는 온도에 따라 비슷한 경향을 보인다. 이러한 비슷한 경향은 RGO 결합이 열전 재료의 전자 밴드 구조에 영향을 미치지 않았음을 의미한다.The value of the maximum coefficient of performance increases as the volume percentage of the RGO increases to 0, 0.1, 0.4, and it can be seen that the maximum coefficient of performance is 1.16 at a temperature of 393 K when the volume percentage is 0.4. In all samples, the coefficient of performance shows a similar trend with temperature. This similar trend means that RGO bonds did not affect the electronic band structure of the thermoelectric material.

열전 재료와 탄소 동소체를 결합함으로써, 높은 홀 캐리어 이동도를 달성할 수 있고, 강화된 포논의 경계 산란으로 인한 낮은 격자 열 전도도를 달성할 수 있다.By combining the thermoelectric material and the carbon allotrope, high hole carrier mobility can be achieved and low lattice thermal conductivity due to enhanced boundary scattering of phonons.

고순도의 Bi(99.999%, 5N Plus), Sb(99.999%, 5N Plus) 및 Te(99.999%, 5N Plus) 그래뉼(granule)을 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3의 화학식에 따라 출발 물질로 계량하였다. Te 휘발을 보상하기 위해 과잉의 1 wt% Te를 더 첨가하였다. 원료 물질들을 쿼츠 앰플에 로딩하고 진공 상태에서 밀봉하였다. 앰플을 1373 K에서 4시간 동안 가열하고, 급냉하여 잉곳을 수득하였다.High purity Bi (99.999%, 5N Plus), Sb (99.999%, 5N Plus) and Te (99.999%, 5N Plus) granules were obtained by Bi 0 . 36 Sb 1 . Weighed as starting material according to the formula of 64 Te 3 . An excess of 1 wt% Te was added to compensate for Te volatilization. Raw materials were loaded into quartz ampoules and sealed in vacuo. The ampoule was heated at 1373 K for 4 hours and quenched to yield an ingot.

잉곳을 분쇄하고 spex-mill로 1시간 동안 분쇄된 잉곳을 RGO 나노파우더(graphene-supermarket.com 에서 구매)와 혼합하였다. 혼합된 파우더를 0.4 mm 직경의 흑연 몰드에 주입하였다. The ingot was crushed and the ingot ground for 1 hour with a spex-mill was mixed with RGO nanopowder (purchased at graphene-supermarket.com). The mixed powder was injected into a 0.4 mm diameter graphite mold.

도 1에 도시된 장치를 이용해, 용융 스피닝 처리하여 균일상, 나노 구조의 RGO/BST 혼합물을 수득하였다. 용융 스피닝 처리에서 구리 휠을 1000 rpm으로 회전시키고, 냉간 압축된 파우더를 인덕션을 이용하여 용융시켰다.Melt spinning was performed using the apparatus shown in FIG. 1 to obtain a homogeneous, nanostructured RGO / BST mixture. The copper wheel was rotated at 1000 rpm in the melt spinning treatment and the cold compacted powder was melted using induction.

도 2에 도시된 바와 같이, 용융 스피닝을 통해 형성한 리본(50)은 접촉 표면(CS)에서 비정질 구조를 가지고 자유 표면(FS)에서 결정질 나노 구조(200-300 nm 폭)을 가졌다. 융용 스피닝된 리본을 파우더로 분쇄하고 스파크 플라즈마 소결(SPS)을 753 K, 60 MPa에서 3 분 동안 수행하였다. 소결된 펠릿은 12.5 mm의 직경과 10 mm의 높이를 가졌다.As shown in FIG. 2, the ribbon 50 formed through melt spinning had an amorphous structure at the contact surface CS and a crystalline nanostructure (200-300 nm wide) at the free surface FS. The melt spun ribbon was ground into powder and spark plasma sintering (SPS) was performed at 753 K, 60 MPa for 3 minutes. The sintered pellets had a diameter of 12.5 mm and a height of 10 mm.

스파크 플라즈마 소결된 샘플을 스파크 플라즈마 소결의 압축 면 방향에 수직 및 수평한 방향으로 X레이 회절(XRD, New D8 Advance, Bruker, Cu Kα) 측정을 수행하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다. SEM(JSM-7600F,JEOL)으로 마이크로 구조를 조사하였다. 또한, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 라만 스펙트로스코피로 RGO 및 소결된 샘플의 결정도를 측정하였다.Spark plasma sintered samples were subjected to X-ray diffraction (XRD, New D8 Advance, Bruker, Cu Kα) measurements in a direction perpendicular to the compression plane direction of spark plasma sintering. The result is shown in FIG. The microstructure was examined by SEM (JSM-7600F, JEOL). 6A and 6B, the crystallinity of RGO and sintered samples was measured with Raman spectroscopy.

도 7a에 도시된 바와 같이, ZEM-3 장치(ULVAC-RIKO)로 4점 프로브(four point probe) 방법을 이용하여 473 K 온도에서 전기 전도도(σ)를 측정했고, 도 7c에 결과를 나타낸 바와 같이, 제벡 계수(S)를 측정하였다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 홀 효과 측정 시스템(HT-Hall, ResiTest 8300, Toyo Corporation)을 이용하여 캐리어 농도와 이동도(μ)를 측정하였다. 도 8a에 도시된 바와 같이, Netzsch LFA 457를 이용한 레이저-플래쉬(laser-flash) 분석을 통해 열 전도도(k)를 측정하였다. 상기 물성들을 하기 표 1에 요약하였다.As shown in FIG. 7A, electrical conductivity (σ) was measured at 473 K temperature using a four point probe method with a ZEM-3 device (ULVAC-RIKO), and the results are shown in FIG. 7C. Similarly, Seebeck coefficients (S) were measured. As shown in FIG. 7B, carrier concentration and mobility (μ) were measured using a Hall effect measurement system (HT-Hall, ResiTest 8300, Toyo Corporation). As shown in FIG. 8A, thermal conductivity (k) was measured by laser-flash analysis using Netzsch LFA 457. The physical properties are summarized in Table 1 below.

특성\RGO 함량Characteristics: RGO content 0 vol. %0 vol. % 0.1 vol. %0.1 vol. % 0.4 vol. %0.4 vol. % 0.8 vol. %0.8 vol. % σ(RT)σ (RT) 1395 S/cm1395 S / cm 1407 S/cm1407 S / cm 1580 S/cm1580 S / cm 1333 S/cm1333 S / cm S(RT)S (RT) 170 uV/K170 uV / K 172 uV/K172 uV / K 171 uV/K171 uV / K 166 uV/K166 uV / K μ(RT)μ (RT) 223 cm2/Vs223 cm 2 / Vs 219 cm2/Vs219 cm 2 / Vs 253 cm2/Vs253 cm 2 / Vs 210 cm2/Vs210 cm 2 / Vs PF(RT)PF (RT) 40×10-4 W/mK2 40 × 10 -4 W / mK 2 42×10-4 W/mK2 42 × 10 -4 W / mK 2 46×10-4 W/mK2 46 × 10 -4 W / mK 2 37×10-4 W/mK2 37 × 10 -4 W / mK 2 klat(347K)k lat (347K) 0.71 W/mK0.71 W / mK 0.68 W/mK0.68 W / mK 0.63 W/mK0.63 W / mK 0.67 W/mK0.67 W / mK ZT(393K)ZT (393K) 1.011.01 1.111.11 1.161.16 1.021.02

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described by the limited embodiments and the drawings as described above, various modifications and variations are possible to those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques may be performed in a different order than the described method, and / or components of the described systems, structures, devices, circuits, etc. may be combined or combined in a different form than the described method, or other components. Or even if replaced or substituted by equivalents, an appropriate result can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are within the scope of the claims that follow.

Claims (20)

Bi2-aSbaTe3 (0<a≤2)의 조성을 갖는 열전 재료(thermoelectric material)의 매트릭스(matrix); 및
상기 매트릭스 내에 분산된 탄소 동소체(allotrope of carbon)
를 포함하는 복합 열전 재료로서,
상기 복합 열전 재료는 p형 반도체인, 복합 열전 재료.
A matrix of thermoelectric material having a composition of Bi 2-a Sb a Te 3 (0 <a ≦ 2 ); And
Allotropes of carbon dispersed in the matrix
As a composite thermoelectric material comprising,
The composite thermoelectric material is a p-type semiconductor.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 탄소 동소체는,
그래핀(graphene) 및 탄소 나노 튜브(carbon nanotube) 중에서 선택되는
복합 열전 재료.
The method of claim 1,
The carbon allotrope,
Selected from graphene and carbon nanotubes
Composite thermoelectric materials.
제4항에 있어서,
상기 그래핀은,
테이프로 떼어낸 그래핀, CVD(Chemical Vapor Deposition) 성장된 그래핀, 허머스(Hummer's) 방법으로 제조된 그래핀 옥사이드 및 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)를 포함하고,
상기 탄소 나노 튜브는,
단일벽 탄소 나노 튜브, 이중벽 탄소 나노 튜브 및 다중벽 탄소 나노 튜브를 포함하는
복합 열전 재료.
The method of claim 4, wherein
The graphene,
It includes graphene peeled off with tape, chemical vapor deposition (CVD) grown graphene, graphene oxide and reduced graphene oxide produced by Hummer's method,
The carbon nanotubes,
Containing single wall carbon nanotubes, double wall carbon nanotubes and multiwall carbon nanotubes
Composite thermoelectric materials.
제1항에 있어서,
상기 탄소 동소체는,
상기 복합 열전 재료에 10 vol.% 이하의 함량으로 포함되는
복합 열전 재료.
The method of claim 1,
The carbon allotrope,
It is contained in the composite thermoelectric material in an amount of 10 vol.% Or less
Composite thermoelectric materials.
제1항에 있어서,
상기 복합 열전 재료의 그레인 크기(grain size)는 상기 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료(pristine thermoelectric material)의 그레인 크기에 비하여 작은
복합 열전 재료.
The method of claim 1,
The grain size of the composite thermoelectric material is small compared to the grain size of a pristine thermoelectric material that does not contain the carbon allotrope.
Composite thermoelectric materials.
제1항에 있어서,
상기 복합 열전 재료는,
상기 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 높은 홀 캐리어 이동도(hole carrier mobility)를 가지는
복합 열전 재료.
The method of claim 1,
The composite thermoelectric material,
Compared to the pristine thermoelectric material that does not include the carbon allotrope, it has a higher hole carrier mobility.
Composite thermoelectric materials.
제1항에 있어서,
상기 복합 열전 재료는 상기 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 높은 성능 계수(ZT)를 가지는
복합 열전 재료.
The method of claim 1,
The composite thermoelectric material has a higher coefficient of performance (ZT) compared to a pristine thermoelectric material that does not contain the carbon allotrope.
Composite thermoelectric materials.
분쇄된(pulverized) 열전 재료를 제공하는 단계로서, 이때 상기 열전 재료는 조성이 Bi2-aSbaTe3 (0<a≤2)인 것인, 단계;
상기 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 탄소 동소체 파우더와 혼합(mix)하여 혼합 파우더를 생성하는 단계;
상기 혼합 파우더를 성형하여 리본(ribbon)을 형성하는 단계;
상기 리본을 분쇄(pulverize)하는 단계; 및
상기 분쇄된 리본을 소결하여 탄소 동소체가 분산된 열전 재료의 매트릭스를 생성하는 단계
를 포함하는 복합 열전 재료 제조 방법으로서,
제조된 상기 복합 열전 재료는 p형 반도체인 것인, 복합 열전 재료 제조 방법.
Providing a pulverized thermoelectric material, wherein the thermoelectric material is Bi 2-a Sb a Te 3 (0 <a ≦ 2);
Mixing the pulverized thermoelectric material with a carbon allotrope powder to produce a mixed powder;
Molding the mixed powder to form a ribbon;
Pulverizing the ribbon; And
Sintering the pulverized ribbon to produce a matrix of thermoelectric material in which carbon allotrope is dispersed
As a composite thermoelectric material manufacturing method comprising:
The composite thermoelectric material produced is a p-type semiconductor, composite thermoelectric material manufacturing method.
제10항에 있어서,
상기 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 제공하는 단계는,
열전 재료를 구성하는 원소 물질을 출발 물질로 사용하여 열전 재료의 잉곳(ingot)을 생성하는 단계; 및
상기 열전 재료의 잉곳을 분쇄(pulverize)하는 단계;
를 포함하는 복합 열전 재료 제조 방법.
The method of claim 10,
Providing the pulverized thermoelectric material,
Creating an ingot of the thermoelectric material using the elemental material constituting the thermoelectric material as a starting material; And
Pulverizing the ingot of the thermoelectric material;
Composite thermoelectric material manufacturing method comprising a.
제10항에 있어서,
상기 탄소 동소체는 그래핀 및 탄소 나노 튜브 중에서 선택되는
복합 열전 재료 제조 방법.
The method of claim 10,
The carbon allotrope is selected from graphene and carbon nanotubes
Method for manufacturing composite thermoelectric materials.
제10항에 있어서,
상기 리본을 형성하는 단계는,
급속 고화법(rapid solidification method)을 이용하여 수행되는 것인
복합 열전 재료 제조 방법.
The method of claim 10,
Forming the ribbon,
Is performed using a rapid solidification method
Method for manufacturing composite thermoelectric material.
제13항에 있어서,
상기 급속 고화법은,
용융 스피닝법(melt spinning method), 가스원자화법(gas atomization method), 플라즈마 증착법(plasma deposition method), 원심 분무법(centrifugal atomization method) 및 스플랫 ?치법(splat quenching method)으로 이루어진 군에서 선택된 것인
복합 열전 재료 제조 방법.
The method of claim 13,
The rapid solidification method,
Selected from the group consisting of melt spinning method, gas atomization method, plasma deposition method, centrifugal atomization method and splat quenching method
Method for manufacturing composite thermoelectric material.
제14항에 있어서,
상기 리본을 형성하는 단계는,
상기 용융 스피닝법을 이용해 수행되고,
상기 용융 스피닝법은,
상기 혼합 파우더를 용융시키는(melt) 단계; 및
용융된 혼합 파우더를 냉각(cooling)시키는 단계
를 포함하는 복합 열전 재료 제조 방법.
The method of claim 14,
Forming the ribbon,
Is carried out using the melt spinning method,
The melt spinning method,
Melting the mixed powder; And
Cooling the molten mixed powder
Composite thermoelectric material manufacturing method comprising a.
제15항에 있어서,
상기 냉각시키는 단계는,
105K/sec 내지 107K/sec의 냉각률(cooling rate)로 냉각시키는 단계
를 포함하는 복합 열전 재료 제조 방법.
The method of claim 15,
The cooling step,
Cooling to a cooling rate of 10 5 K / sec to 10 7 K / sec
Composite thermoelectric material manufacturing method comprising a.
제10항에 있어서,
상기 리본을 분쇄하는 단계는,
건식 분쇄 방법을 이용하여 상기 리본을 분쇄하는 단계
를 포함하는 복합 열전 재료 제조 방법.
The method of claim 10,
Crushing the ribbon,
Grinding the ribbon using a dry grinding method
Composite thermoelectric material manufacturing method comprising a.
제17항에 있어서,
상기 건식 분쇄 방법은,
볼 밀링(ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling), 고에너지 밀링(high energy milling), 제트 밀링(zet milling) 및 막자 사발 분쇄로 이루어진 군에서 선택되는 것인
복합 열전 재료 제조 방법.
The method of claim 17,
The dry grinding method,
Ball milling, attrition milling, high energy milling, jet milling, and mortar grinding
Method for manufacturing composite thermoelectric material.
제10항에 있어서,
상기 소결은,
스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 또는 핫프레스 소결(hot press sintering)
을 포함하는 복합 열전 재료 제조 방법.
The method of claim 10,
The sintering is,
Spark plasma sintering or hot press sintering
Composite thermoelectric material manufacturing method comprising a.
제10항에 있어서,
상기 매트릭스를 생성하는 단계는,
300℃ 내지 800℃의 온도 조건, 1Pa 내지 100Pa의 압력 조건 및 진공 조건 중 적어도 하나의 조건 하에서 1분 내지 10분 동안 상기 분쇄된 리본을 소결하는 단계
를 포함하는 복합 열전 재료 제조 방법.
The method of claim 10,
Generating the matrix,
Sintering the pulverized ribbon for 1 minute to 10 minutes under at least one of a temperature condition of 300 ° C to 800 ° C, a pressure condition of 1Pa to 100Pa and a vacuum condition
Composite thermoelectric material manufacturing method comprising a.
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