KR102146022B1 - Thermoelectric materials and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 하기 조성식 1의 물질과 조성식 2의 물질을 포함하는 열전재료를 개시한다.
[조성식 1]
BiM1M2
(상기 조성식 1에서 상기 M1 M2는 Te, Se 또는 Sb 중 어느 하나이고, M1 M2는 서로 다른 물질이다)
[조성식 2]
D
(상기 조성식 2에서 도펀트(D)는 Bi, M1 , 또는 M2 중 어느 하나이다.)
The present invention discloses a thermoelectric material including a substance of the following composition formula 1 and a substance of the composition formula 2.
[Composition 1]
BiM 1 M 2
(In the composition formula 1, the M 1 and M 2 is any one of Te, Se or Sb, and M 1 and M 2 is a different substance)
[Composition 2]
D
(In the above composition formula 2, the dopant (D) is Bi, M 1 , or M 2 It is one of them.)

Description

열전재료 및 그 제조방법{THERMOELECTRIC MATERIALS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Thermoelectric material and its manufacturing method {THERMOELECTRIC MATERIALS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 n형 및 p형 열전재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to n-type and p-type thermoelectric materials and a method of manufacturing the same.

Bi-Te계 열전재료는 상온 근방에서 열전성능이 뛰어나므로 고집적 소자 및 각종 센서의 방열문제를 해결할 수 있어 이에 대한 연구가 활발하다.Bi-Te-based thermoelectric materials have excellent thermoelectric performance near room temperature, so they can solve the heat dissipation problem of highly integrated devices and various sensors, so research on this is active.

최근에는 열전재료의 성능지수(ZT)가 높은 열전재료가 점차 개발되고 있어, 열전 냉각을 이용한 반도체 레이저 다이오드나 적외선 검출소자 등과 같이 온도에 민감한 장치의 온도제어에 사용되고 있다.Recently, thermoelectric materials having a high performance index (ZT) of thermoelectric materials have been gradually developed, and are used for temperature control of temperature sensitive devices such as semiconductor laser diodes and infrared detection devices using thermoelectric cooling.

또한, 컴퓨터 관련 소형 냉각기와, 광통신레이저 냉각장치, 냉온수기의 냉각장치, 반도체 온도조절장치, 및 열교환기 등에 사용되는 등 점차 영역이 확대되고 있다.In addition, the area is gradually expanding, such as being used for computer-related small coolers, optical communication laser cooling devices, cooling devices for cold and hot water machines, semiconductor temperature control devices, and heat exchangers.

열전재료의 성능지수(ZT)가 높다는 것은 열전재료의 에너지 변환효율이 높다는 것을 의미하는데, 이러한 성능지수를 높이기 위해서는 전기전도도를 높이거나 열전도도를 감소시킬 필요가 있다.The high performance index (ZT) of the thermoelectric material means that the energy conversion efficiency of the thermoelectric material is high. In order to increase the performance index, it is necessary to increase the electrical conductivity or decrease the thermal conductivity.

특히, 열전재료의 성능지수(ZT)를 좌우하는 함수 중에서 제벡(Seebeck)계수, 전기전도도는 주로 전하의 산란에 의존하고, 열전도도는 주로 격자(phonon)의 산란에 의존하기 때문에 이를 고려한 미세조직의 제어를 통해 특성을 제어할 필요가 있다.In particular, the Seebeck coefficient and electrical conductivity among the functions that influence the performance index (ZT) of a thermoelectric material mainly depend on the scattering of electric charges, and the thermal conductivity mainly depends on the scattering of the phonon. It is necessary to control the characteristics through the control of.

따라서, 열전재료 내에서 전하의 산란은 최대한 감소시키고, 열전재료를 구성하는 포논(phonon)의 산란을 증가시켜 열전도도의 감소를 유도함으로써 성능지수(ZT)를 향상시킬 수 있다.Accordingly, the scattering of electric charges in the thermoelectric material is reduced as much as possible and the scattering of phonons constituting the thermoelectric material is increased to induce a decrease in thermal conductivity, thereby improving the performance index (ZT).

이러한 열전재료를 제조하는 방법으로 대한민국 공개특허 제1997-010993호에는, Bi 분말과 Te 분말을 용해하여 잉곳을 형성하고 이를 열간 압출하여 봉상 형태로 성형한 후 파쇄하여 분말을 제조하는 방법이 개시되어 있다.As a method of manufacturing such a thermoelectric material, Korean Patent Laid-Open Publication No. 1997-010993 discloses a method of dissolving Bi powder and Te powder to form an ingot, hot extruding it to form an ingot, and then crushing it to form a powder. have.

그러나 이러한 제조방법은, 잉곳을 별도로 성형하는 공정이 추가되어 제조공정이 복잡해지고 단가가 상승하는 문제가 있다. 따라서, 보다 간단한 공정으로 우수한 열전재료를 제조하는 기술 개발이 절실한 실정이다.However, this manufacturing method has a problem in that a process of separately forming an ingot is added, which complicates the manufacturing process and increases the cost. Therefore, there is an urgent need to develop a technology for manufacturing an excellent thermoelectric material through a simpler process.

본 발명은 간단한 제조방법으로 성능지수를 높일 수 있는 열전재료 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention provides a thermoelectric material capable of increasing a performance index with a simple manufacturing method and a manufacturing method thereof.

본 발명에 따른 열전재료는, 하기 조성식 1의 물질과 조성식 2의 물질을 포함한다.The thermoelectric material according to the present invention includes a material of Formula 1 and a material of Formula 2 below.

[조성식 1][Composition 1]

BiM1M2 BiM 1 M 2

(상기 조성식 1에서 상기 M1 M2는 Te, Se 또는 Sb 중 어느 하나이고, M1 M2는 서로 다른 물질이다)(In the composition formula 1, the M 1 and M 2 is any one of Te, Se or Sb, and M 1 and M 2 is a different substance)

[조성식 2][Composition 2]

DD

(상기 조성식 2에서 도펀트(D)는 Bi, M1 , 또는 M2 중 어느 하나이다.)(In the above composition formula 2, the dopant (D) is Bi, M 1 , or M 2 It is one of them.)

본 발명에 따른 열전재료는, 상기 조성식 1과 조성식 2의 물질이 서로 분말상태에서 혼합되어 소결 형성된다.The thermoelectric material according to the present invention is sintered by mixing the substances of the composition formula 1 and the composition formula 2 with each other in a powder state.

본 발명에 따른 열전재료에서, 상기 조성식 2로 표현되는 물질의 첨가량은, 조성식 1로 표현되는 물질의 총중량에 대해, 0.01wt% 내지 0.2wt%일 수 있다.In the thermoelectric material according to the present invention, the addition amount of the material represented by the composition formula 2 may be 0.01 wt% to 0.2 wt% based on the total weight of the material represented by the composition formula 1.

본 발명에 따른 열전재료에서, 상기 조성식 1의 물질은 하기 조성식 3을 만족할 수 있다.In the thermoelectric material according to the present invention, the material of Formula 1 may satisfy Formula 3 below.

[조성식 3][Composition 3]

Bi2Te3-xSex Bi 2 Te 3-x Se x

(이때, 변수 x는 0.1<x<0.4이다.)(At this time, the variable x is 0.1<x<0.4.)

본 발명에 따른 열전재료에서, 상기 조성식 1의 물질은 하기 조성식 4를 만족할 수 있다.In the thermoelectric material according to the present invention, the material of Formula 1 may satisfy Formula 4 below.

[조성식 4][Composition 4]

Bi2 - ySbyTe3 Bi 2 - y Sb y Te 3

(이때, 변수 y는 1.2<y<1.8이다.)(At this time, the variable y is 1.2<y<1.8.)

본 발명에 따른 열전재료 제조방법은, n형 또는 p형 열전재료를 구성하는 복수의 구성원소를 용융하여 잉곳을 제조하는 단계; 상기 잉곳을 분쇄하여 분말을 제조하는 단계; 상기 분쇄된 분말에 상기 복수의 구성원소 중 어느 하나인 도펀트를 혼합하는 단계; 및 상기 도펀트가 혼합된 분말을 소결하는 단계;를 포함한다.The method for manufacturing a thermoelectric material according to the present invention includes the steps of manufacturing an ingot by melting a plurality of constituent elements constituting an n-type or p-type thermoelectric material; Pulverizing the ingot to prepare a powder; Mixing the pulverized powder with a dopant, which is one of the plurality of constituent elements; And sintering the powder mixed with the dopant.

본 발명에 따른 열전재료 제조방법에서, 상기 n형 열전재료 구성원소는 Bi, Se, 및 Te를 포함하고, 상기 p형 열전재료 구성원소는 Bi, Sb, 및 Te를 포함한다.In the thermoelectric material manufacturing method according to the present invention, the n-type thermoelectric material constituent elements include Bi, Se, and Te, and the p-type thermoelectric material constituent elements include Bi, Sb, and Te.

본 발명에 따른 열전재료 제조방법에서, 상기 도펀트는 상기 분말의 총중량에 대해 0.01wt% 내지 0.2wt%로 포함된다.In the method for manufacturing a thermoelectric material according to the present invention, the dopant is included in an amount of 0.01 wt% to 0.2 wt% based on the total weight of the powder.

본 발명에 따른 열전재료 제조방법에서, 상기 도펀트의 평균입경은 200㎛이하일 수 있다.In the method for manufacturing a thermoelectric material according to the present invention, the average particle diameter of the dopant may be 200 μm or less.

본 발명에 따른 열전재료 제조방법에서, 상기 열전재료 구성원소는 Bi, Se, 및 Te를 포함하고, 상기 도펀트는 Te일 수 있다.In the method of manufacturing a thermoelectric material according to the present invention, the components of the thermoelectric material include Bi, Se, and Te, and the dopant may be Te.

본 발명에 따른 열전재료 제조방법에서, 상기 열전재료 구성원소는 Bi, Sb, 및 Te를 포함하고, 상기 도펀트는 Te일 수 있다.In the thermoelectric material manufacturing method according to the present invention, the thermoelectric material constituent elements include Bi, Sb, and Te, and the dopant may be Te.

본 발명에 따르면, 잉곳을 형성한 후 n형 또는 p형의 구성원소를 소량 첨가하여 불균일계를 형성함으로써 열전재료의 성능지수(ZT)를 높일 수 있다.According to the present invention, after forming an ingot, by adding a small amount of n-type or p-type constituent elements to form a heterogeneous system, it is possible to increase the performance index (ZT) of the thermoelectric material.

또한, 본 발명은 일반적인 열전재료 제조공정을 그대로 이용할 수 있어 제조비용이 절감된다.Further, according to the present invention, a general thermoelectric material manufacturing process can be used as it is, thereby reducing manufacturing cost.

도 1은 본 발명에 따른 열전재료 제조방법의 흐름도이고,
도 2는 본 발명에 따라 제조된 조성식 1로 표현되는 물질의 SEM 사진이고,
도 3은 본 발명에 따라 제조된 열전재료의 온도에 따른 성능지수를 측정한 그래프이다.
1 is a flowchart of a method for manufacturing a thermoelectric material according to the present invention,
2 is a SEM photograph of a material represented by the composition formula 1 prepared according to the present invention,
3 is a graph measuring a figure of merit according to temperature of a thermoelectric material manufactured according to the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.In the present invention, various modifications may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it is to be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. In the present invention, terms such as "comprises" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance.

본 발명에 따른 열전재료는, 하기 조성식 1의 물질과 조성식 2의 물질을 포함한다.The thermoelectric material according to the present invention includes a material of Formula 1 and a material of Formula 2 below.

[조성식 1][Composition 1]

BiM1M2 BiM 1 M 2

[조성식 2][Composition 2]

DD

이때, 조성식 1에서 M1 M2는 Te, Se 또는 Sb 중 어느 하나이고 M1 M2는 서로 다르다. 따라서, M1이 Te인 경우 M2는 Se 또는 Sb 중에 어느 하나로 선택될 수 있다. 또한, 조성식 2에서 도펀트(D)는 Bi, M1 , 또는 M2 중 어느 하나가 선택될 수 있다. 따라서 열전재료는 조성식 1의 물질에 조성식 2의 물질이 도핑되어 BiM1M2:D의 조성을 가질 수 있다.At this time, in the composition formula 1 M 1 and M 2 is any one of Te, Se or Sb, and M 1 and M 2 is different. Therefore, when M 1 is Te, M 2 may be selected as either Se or Sb. In addition, the dopant (D) in the composition formula 2 is Bi, M 1 , or M 2 Any one can be selected. Therefore, the thermoelectric material may have a composition of BiM 1 M 2 :D by doping the material of the composition formula 1 with the material of the composition formula 2.

구체적으로 n형 열전재료인 경우, 조성식 1의 물질은 Bi2Te3-xSex로 표현될 수 있다. 이때, 변수 x는 0.1<x<0.4의 범위를 갖는 것이 바람직하다. x의 범위가 0.1미만이거나 0.4보다 크게 되는 경우에는 Te 또는 Se의 조성이 너무 커지거나 작게 되어 열전재료의 성능이 저하되는 문제가 있다.Specifically, in the case of an n-type thermoelectric material, the material of composition formula 1 may be expressed as Bi 2 Te 3-x Se x . At this time, it is preferable that the variable x has a range of 0.1<x<0.4. When the range of x is less than 0.1 or greater than 0.4, there is a problem that the composition of Te or Se becomes too large or small, and the performance of the thermoelectric material is deteriorated.

또한, 열전재료가 p형인 경우, 조성식 1의 물질은 Bi2 - ySbyTe3로 표현될 수 있다. 이때, 변수 y는 1.2<y<1.8의 범위를 갖는 것이 바람직하다. y의 범위가 1.2미만이거나 1.8보다 크게 되는 경우에는 Bi 또는 Sb의 조성이 너무 커지거나 작게 되어 열전재료의 성능이 저하되는 문제가 있다.Further, when the thermoelectric material is p-type, material of the formula 1 is a Bi 2 - can be represented by y Sb y Te 3. In this case, it is preferable that the variable y has a range of 1.2<y<1.8. When the range of y is less than 1.2 or greater than 1.8, there is a problem that the composition of Bi or Sb becomes too large or small, and the performance of the thermoelectric material is deteriorated.

조성식 2의 D는 조성식 1에 혼합되는 분말 형태의 도펀트로서, 구체적으로는 조성식 1의 물질 중 어느 하나로 선택될 수 있다. 따라서, n형 열전재료인 경우 조성식 2의 물질은 Bi, Te, Se 중 어느 하나가 선택될 수 있으며, p형 열전재료인 경우에는 Bi, Te, 또는 Sb 중 어느 하나가 선택될 수 있다. 열전재료는, 조성식 1의 물질과 조성식 2의 물질이 모두 분말제형으로 형성되고 이들이 소결됨으로써 불균일계를 형성한다. D of the composition formula 2 is a dopant in the form of a powder to be mixed in the composition formula 1, specifically, may be selected from any one of the substances of the composition formula 1. Accordingly, in the case of the n-type thermoelectric material, any one of Bi, Te, and Se may be selected as the material of the composition formula 2, and in the case of the p-type thermoelectric material, any one of Bi, Te, or Sb may be selected. In the thermoelectric material, both the material of the composition formula 1 and the material of the composition formula 2 are formed in a powder formulation and are sintered to form a heterogeneous system.

하기 표 1은 n형 열전재료가 도펀트의 첨가에 따라 전기전도도와, 제벡계수(Seeback coefficient), 열전도도, 및 열전 성능 지수(ZT)가 변화된 값을 측정한 표이다. 실험은 n형 열전재료를 기준으로, 조성식 1의 분말에 Te 입자의 첨가량을 증가시켜 연속적으로 실험하였다.Table 1 below is a table in which the electrical conductivity, Seeback coefficient, thermal conductivity, and thermoelectric performance index (ZT) are changed according to the addition of the dopant in the n-type thermoelectric material. The experiment was conducted continuously by increasing the amount of Te particles added to the powder of the composition formula 1 based on the n-type thermoelectric material.

도펀트
(wt%)
Dopant
(wt%)
전기전도도
(104S/m)
Electrical conductivity
(10 4 S/m)
제벡계수
(10-4V/K)
Seebeck coefficient
(10 -4 V/K)
열전도도
(W/mk)
Thermal conductivity
(W/mk)
ZTZT
실험예 1Experimental Example 1 0.000.00 7.307.30 -1.66-1.66 1.111.11 0.680.68 실험예 2Experimental Example 2 0.010.01 7.007.00 -1.87-1.87 1.111.11 0.820.82 실험예 3Experimental Example 3 0.050.05 6.976.97 -1.90-1.90 1.121.12 0.830.83 실험예 4Experimental Example 4 0.070.07 7.057.05 -1.86-1.86 1.181.18 0.770.77 실험예 5Experimental Example 5 0.10.1 7.527.52 -1.72-1.72 1.161.16 0.710.71 실험예 6Experimental Example 6 0.20.2 9.339.33 -1.59-1.59 1.241.24 0.710.71 실험예 7Experimental Example 7 0.50.5 10.7710.77 -1.47-1.47 1.391.39 0.620.62 실험예 8Experimental Example 8 1.01.0 12.9412.94 -1.26-1.26 1.481.48 0.510.51 실험예 9Experimental Example 9 1.21.2 17.5017.50 -1.01-1.01 2.382.38 0.280.28

상기 표 1을 참조할 때, 도펀트를 첨가하지 않은 실험예 1의 경우 성능지수(ZT)가 0.68임을 알 수 있고, 실험예 2 내지 6까지는 도펀트의 첨가량이 증가할수록 성능지수가 증가함을 알 수 있다. 이때, 열전 성능 지수(ZT)는 하기 관계식 1에 의해 정해진다.When referring to Table 1, in the case of Experimental Example 1 without the dopant added, it can be seen that the performance index (ZT) is 0.68, and in Experimental Examples 2 to 6, it can be seen that the performance index increases as the addition amount of the dopant increases. have. At this time, the thermoelectric performance index (ZT) is determined by the following relational equation 1.

[관계식 1][Relationship 1]

열전지수(ZT) = (σs2/k)TNumber of thermal cells (ZT) = (σs 2 /k)T

(여기서, σ는 전기전도도이고, s는 제벡계수이고, k는 열전도도이고, T는 온도이다.)(Where σ is the electrical conductivity, s is the Seebeck coefficient, k is the thermal conductivity, and T is the temperature.)

다시 표 1을 참조할 때, 실험예 2 내지 실험예 6의 경우 도펀트의 첨가량이 증가함에 따라 제벡계수의 절대값과 전기전도도의 증가폭이 상대적으로 큰 반면, 열전도도의 증가폭은 상대적으로 작으므로 상기 관계식 1에 따라 계산된 열전 성능 지수는 전체적으로 상승하였음을 알 수 있다.Referring back to Table 1, in the case of Experimental Examples 2 to 6, the absolute value of the Seebeck coefficient and the increase in electrical conductivity were relatively large as the amount of dopant was increased, whereas the increase in thermal conductivity was relatively small. It can be seen that the thermoelectric figure of merit calculated according to the relational equation 1 has increased overall.

그러나, 실험예 7 내지 9의 경우에는 도펀트의 양이 증가함에 따라 열전도도가 급격히 증가하고 제벡계수의 절대값이 감소하여 열전 성능 지수가 크게 감소함을 알 수 있다. 따라서, 도펀트는 조성식 1에 따라 제조된 분말의 총질량에 대해 0.01wt% 내지 0.2wt%로 포함되는 것이 바람직하다.
However, in the case of Experimental Examples 7 to 9, it can be seen that as the amount of the dopant increases, the thermal conductivity rapidly increases and the absolute value of the Seebeck coefficient decreases, thereby significantly reducing the thermoelectric performance index. Therefore, the dopant is preferably contained in an amount of 0.01 wt% to 0.2 wt% based on the total mass of the powder prepared according to the composition formula 1.

도 1은 본 발명에 따른 열전재료 제조방법의 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 따라 제조된 조성식 1로 표현되는 물질의 SEM 사진이다.1 is a flowchart of a method for manufacturing a thermoelectric material according to the present invention, and FIG. 2 is a SEM photograph of a material represented by Formula 1 manufactured according to the present invention.

도 1을 참고하면 본 발명에 따른 열전재료 제조방법은, n형 또는 p형 열전재료를 구성하는 복수의 구성원소를 용융하여 잉곳을 제조하는 단계(S10)와, 상기 잉곳을 분쇄하여 분말을 제조하는 단계(S20)와, 상기 분쇄된 분말에 상기 복수의 구성원소 중 어느 하나인 도펀트를 첨가하는 단계(S30), 및 상기 도펀트가 첨가된 분말을 소결하는 단계(S40)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the method of manufacturing a thermoelectric material according to the present invention includes the step of manufacturing an ingot by melting a plurality of constituent elements constituting an n-type or p-type thermoelectric material (S10), and pulverizing the ingot to produce a powder. (S20), adding a dopant, which is one of the plurality of constituent elements, to the pulverized powder (S30), and sintering the powder to which the dopant is added (S40).

먼저 잉곳을 제조하는 단계(S10)는, n형 또는 p형 열전재료를 구성하는 각각의 구성원소를 용융하고 이를 냉각하여 잉곳(Ingot)을 제조한다. 이때, n형 열전재료의 구성원소는 Bi, Se, 및 Te이고, p형 열전재료의 구성원소는 Bi, Sb, 및 Te이므로 각각의 구성원소를 열전재료의 조성비에 맞도록 칭량한다. First, in the step of manufacturing an ingot (S10), each element constituting the n-type or p-type thermoelectric material is melted and cooled to manufacture an ingot. At this time, the constituent elements of the n-type thermoelectric material are Bi, Se, and Te, and the constituent elements of the p-type thermoelectric material are Bi, Sb, and Te, so each constituent element is weighed to match the composition ratio of the thermoelectric material.

구체적으로 n형의 경우 Bi2Te3 - xSey (0.1<x<0.4)의 조성에 맞게 각 구성원소를 칭량하며, p형의 경우 Bi2 -ySbyTe3(1.2<y<1.8)의 조성에 맞게 각 구성원소를 칭량한다. 이후, 칭량된 각 구성원소를 균일하게 혼합하고 고온의 용해로(Furnace)에서 용융한 후 이를 냉각시켜 잉곳을 제조한다. Specifically, in the case of n-type Bi 2 Te 3 - x Se y Each element is weighed according to the composition of (0.1<x<0.4), and in the case of p-type, each element is weighed according to the composition of Bi 2 -y Sb y Te 3 (1.2<y<1.8). Thereafter, each of the weighed constituent elements is uniformly mixed, melted in a high-temperature melting furnace, and then cooled to prepare an ingot.

이후 분말을 제조하는 단계(S20)는, 제조된 잉곳을 볼밀법(Ball Mill)으로 분쇄하여 분말을 제조한다. 이때 입자의 평균입경은 1~10㎛이고, 분쇄된 입자가 응집되어 형성되는 응집입자는 도 2와 같이 평균입경이 200㎛이상으로 형성된다.After the step of producing the powder (S20), the manufactured ingot is pulverized by a ball mill to prepare a powder. At this time, the average particle diameter of the particles is 1 to 10 μm, and the aggregated particles formed by agglomeration of the pulverized particles have an average particle diameter of 200 μm or more as shown in FIG. 2.

도펀트를 첨가하는 단계(S30)는, 분쇄된 분말에 도펀트를 첨가하는 단계로서 n형의 경우에는 구성원소인 Bi, Se, 및 Te 중 어느 하나를 첨가하고, p형의 경우 구성원소인 Bi, Sb, 및 Te 중 어느 하나를 첨가한다.The step of adding a dopant (S30) is a step of adding a dopant to the pulverized powder. In the case of n-type, one of the constituent elements Bi, Se, and Te is added, and in the case of p-type, the constituent elements Bi, Sb, And Te is added.

첨가되는 도펀트는 구형 입자로서 평균입경이 200㎛이하인 것이 바람직하다. 응집입자의 크기는 최소 200㎛이상이므로 도펀트 분말의 평균입경이 응집입자의 크기보다 큰 경우에는 결정립의 크기(Grain Size)가 너무 커지게 되어 포논 산란효과(phonon Scattering effect)가 감소하는 문제가 있다.The dopant to be added is preferably spherical particles having an average particle diameter of 200 μm or less. Since the size of the aggregated particles is at least 200㎛, if the average particle diameter of the dopant powder is larger than the size of the aggregated particles, the grain size becomes too large and there is a problem that the phonon scattering effect decreases. .

이후 소결하는 단계(S40)는, 도펀트가 첨가된 분말을 카본몰드에 담아 400~550℃의 온도로 1~30분간 소결한다. 이때 방전플라즈마 소결(SPS; Spark Plasma Sintering) 방식을 이용할 수 있으며, 소결 압력은 35MPa 내지 60MPa로 조절할 수 있다.
After sintering (S40), the dopant-added powder is put in a carbon mold and sintered for 1 to 30 minutes at a temperature of 400 to 550°C. At this time, a spark plasma sintering (SPS) method may be used, and the sintering pressure may be adjusted to 35 MPa to 60 MPa.

이하 본 발명을 하기 위한 실시예를 통해 상세하게 설명하기로 하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples for making the present invention, but this is only provided to aid understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

[비교예 1][Comparative Example 1]

n형 열전재료의 Bi2Se0 .15Te2 .85 조성을 갖도록 각 원료를 칭량한 후, 이를 용해로(Furnace)에 장입하고 Ar 불활성 분위기에서 600 내지 900℃의 온도로 5~15시간 동안 용융한 다음 냉각시켜 잉곳을 형성하였다. 제조된 잉곳을 볼밀법으로 1~10㎛의 크기로 분쇄한 후 분말을 카본몰드에 담아 35~60MPa의 압력에서 400~450℃의 온도로 30분간 소결하여 n형 열전재료를 제조하였다.
After weighing each raw material to have a composition of Bi 2 Se 0 .15 Te 2 .85 of n-type thermoelectric material, it was charged into a furnace and melted for 5 to 15 hours at a temperature of 600 to 900°C in an Ar inert atmosphere. Then, it was cooled to form an ingot. The prepared ingot was pulverized to a size of 1 to 10 μm by a ball mill method, and then the powder was put in a carbon mold and sintered at a temperature of 400 to 450° C. at a pressure of 35 to 60 MPa for 30 minutes to prepare an n-type thermoelectric material.

[실시예 1][Example 1]

n형 열전재료의 Bi2Se0 .15Te2 .85 조성을 갖도록 각 원료를 칭량한 후, 이를 용해로(Furnace)에 장입하고 Ar 불활성 분위기에서 600 내지 900℃의 온도로 5~15시간 동안 용융한 다음 냉각시켜 잉곳을 형성하였다. 제조된 잉곳을 볼밀법으로 1~10㎛의 크기로 분쇄하고 200㎛이하의 Te 입자를 0.02wt% 소량 첨가한 후 불균일하게 혼합하였다. 이후 분말을 카본몰드에 담아 35~60MPa의 압력에서 400~450℃의 온도로 30분간 소결하여 n형 열전재료를 제조하였다.
After weighing each raw material to have a composition of Bi 2 Se 0 .15 Te 2 .85 of n-type thermoelectric material, it was charged into a furnace and melted for 5 to 15 hours at a temperature of 600 to 900°C in an Ar inert atmosphere. Then, it was cooled to form an ingot. The prepared ingot was pulverized to a size of 1 to 10 μm by a ball mill method, and 0.02 wt% of Te particles of 200 μm or less were added in a small amount, and then mixed unevenly. Then, the powder was put in a carbon mold and sintered for 30 minutes at a temperature of 400 to 450°C at a pressure of 35 to 60 MPa to prepare an n-type thermoelectric material.

[실시예 2][Example 2]

P형 열전재료의 Bi0 .5Sb1 .5Te3 조성을 갖도록 각 원료를 칭량한 후, 이를 용해로(Furnace)에 장입하고 Ar 불활성 분위기에서 600 내지 900℃의 온도로 5~15시간 동안 용융한 후 냉각시켜 잉곳을 형성하였다. 제조된 잉곳을 볼밀법으로 1~10㎛의 크기로 분쇄하고 200㎛이하의 Te 입자를 0.02wt% 소량 첨가한 후 불균일하게 혼합하였다. 이후 분말을 카본몰드에 담아 35~60MPa의 압력에서 400~450℃의 온도로 30분간 소결하여 P형 열전재료를 제조하였다.
Bi 0 .5 of the P-type thermoelectric material 1 .5 Sb Te 3 composition have a After weighing the respective raw materials, charging them to the furnace (Furnace), and molten for 5 to 15 hours in Ar inert atmosphere to a temperature of 600 to 900 ℃ After cooling, an ingot was formed. The prepared ingot was pulverized to a size of 1 to 10 μm by a ball mill method, and 0.02 wt% of Te particles of 200 μm or less were added in a small amount, and then mixed unevenly. Then, the powder was put in a carbon mold and sintered at a temperature of 400 to 450°C for 30 minutes at a pressure of 35 to 60 MPa to prepare a P-type thermoelectric material.

도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 비교예 1에 의해 제조된 열전재료의 열전지수는 상온(25℃)에서 약 0.56을 나타내나 실시예 1에 의해 제조된 열전재료는 상온에서 약 0.62를 나타내어 열전성능이 개선되었음을 알 수 있다. 또한, 온도를 150℃까지 증가시킨 경우에도 비교예 1에 의해 제조된 열전재료는 약 0.7의 열전지수를 가지나 실시예 1에 의해 제조된 열전재료는 약 0.8의 열전지수를 나타내어 고온에서도 열전성능이 뛰어남을 알 수 있다.
As can be seen from FIG. 3, the number of thermoelectric cells of the thermoelectric material prepared according to Comparative Example 1 was about 0.56 at room temperature (25°C), but the thermoelectric material prepared by Example 1 was about 0.62 at room temperature. You can see that the performance has improved. In addition, even when the temperature is increased to 150°C, the thermoelectric material prepared according to Comparative Example 1 has a number of thermoelectric cells of about 0.7, but the thermoelectric material prepared according to Example 1 has a number of thermoelectric cells of about 0.8, so that thermoelectric performance is improved even at high temperatures. You can see excellence.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the claims are also included in the scope of the present invention. It belongs to.

Claims (12)

n형 또는 p형 열전재료를 구성하는 구성원소를 용융하여 잉곳을 제조하는 단계;
상기 잉곳을 분쇄하여 분말을 제조하는 단계;
상기 분쇄된 분말에 상기 구성원소 중 어느 하나인 도펀트를 혼합하는 단계; 및
상기 도펀트가 혼합된 분말을 소결하는 단계;를 포함하고,
상기 도펀트의 평균입경은 상기 분쇄된 분말의 평균 입경보다 작거나 동일하고,
상기 분쇄된 분말은 하기 조성식 1을 만족하고,
상기 도펀트는 하기 조성식 2를 만족하는 열전재료 제조방법.
[조성식 1]
BiM1M2
(상기 조성식 1에서 상기 M1 M2는 Te, Se 또는 Sb 중 어느 하나이고, M1 M2는 서로 다른 물질이다)
[조성식 2]
D
(상기 조성식 2에서 도펀트(D)는 Bi, M1, 또는 M2 중 어느 하나이다.)
manufacturing an ingot by melting constituent elements constituting an n-type or p-type thermoelectric material;
Pulverizing the ingot to prepare a powder;
Mixing the pulverized powder with a dopant, which is one of the constituent elements; And
Sintering the powder mixed with the dopant; Including,
The average particle diameter of the dopant is less than or equal to the average particle diameter of the pulverized powder,
The pulverized powder satisfies the following composition formula 1,
The dopant is a method of manufacturing a thermoelectric material satisfying the following composition formula 2.
[Composition 1]
BiM 1 M 2
(In the composition formula 1, the M 1 and M 2 is any one of Te, Se or Sb, and M 1 and M 2 is a different substance)
[Composition 2]
D
(In the above composition formula 2, the dopant (D) is any one of Bi, M 1, or M 2. )
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 도펀트를 혼합하는 단계에서,
상기 도펀트는, 상기 분쇄된 분말의 총중량에 대해, 0.01wt% 내지 0.2wt%로 첨가되는 열전재료 제조방법.
The method of claim 1, wherein in the step of mixing the dopant,
The dopant is added in an amount of 0.01 wt% to 0.2 wt% based on the total weight of the pulverized powder.
제1항에 있어서,
상기 도펀트의 평균입경은 200㎛이하인 열전재료 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a thermoelectric material having an average particle diameter of the dopant is 200 μm or less.
제1항에 있어서,
상기 도펀트는 Te인 열전재료 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a thermoelectric material in which the dopant is Te.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10308538A (en) * 1997-05-08 1998-11-17 Mitsui Mining & Smelting Co Ltd Thermoelectric element and its manufacture
KR100786633B1 (en) * 2005-12-20 2007-12-21 한국생산기술연구원 METHOD FOR MANUFACTURING Bi-Te BASED THERMOELECTRIC MATERIALS
KR101172802B1 (en) * 2009-12-31 2012-08-09 한국전기연구원 fabrication method for Te-based thermoelectric materials containing twins formed by addition of dopant and thermoelectric materials thereby

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003133597A (en) * 2001-10-30 2003-05-09 Aisin Seiki Co Ltd Thermoelectric semiconductor and manufacturing method therefor

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