KR102151240B1 - Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric apparatus comprising the same - Google Patents

Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric apparatus comprising the same Download PDF

Info

Publication number
KR102151240B1
KR102151240B1 KR1020140099041A KR20140099041A KR102151240B1 KR 102151240 B1 KR102151240 B1 KR 102151240B1 KR 1020140099041 A KR1020140099041 A KR 1020140099041A KR 20140099041 A KR20140099041 A KR 20140099041A KR 102151240 B1 KR102151240 B1 KR 102151240B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thermoelectric
formula
compound
thermoelectric material
electrode
Prior art date
Application number
KR1020140099041A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20160017240A (en
Inventor
이종수
Original Assignee
에스케이이노베이션 주식회사
경희대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에스케이이노베이션 주식회사, 경희대학교 산학협력단 filed Critical 에스케이이노베이션 주식회사
Priority to KR1020140099041A priority Critical patent/KR102151240B1/en
Publication of KR20160017240A publication Critical patent/KR20160017240A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102151240B1 publication Critical patent/KR102151240B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/851Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Abstract

본 발명은 하기 화학식 1의 화합물을 포함하는 열전재료에 관한 것이다:
<화학식 1>
A4- aMbM'c(B1- xB'x)3- dXe
식 중,
상기 A는 13족 원소를 나타내고,
상기 M 및 M'은 서로 상이하고, M 및 M'은 14족 또는 전이금속 원소를 나타내고,
상기 B 및 B'은 서로 상이하고, B 및 B'은 칼코겐족 원소를 나타내고,
상기 X는 할로겐 원소를 나타내며,
상기 a는 -1<a<1이고, 상기 b는 0<b<1이고, 상기 c는 0<c<1이고, 상기 x는 0≤x<1이고, 상기 d는 0≤d<1이며, 상기 e는 0≤e<1이다.
The present invention relates to a thermoelectric material comprising the compound of Formula 1:
<Formula 1>
A 4- a M b M'c (B 1- x B'x ) 3- d X e
In the formula,
Wherein A represents a group 13 element,
The M and M'are different from each other, and M and M'represent a Group 14 or transition metal element,
B and B'are different from each other, B and B'represent a chalcogen element,
X represents a halogen element,
Wherein a is -1<a<1, b is 0<b<1, c is 0<c<1, x is 0≦x<1, and d is 0≦d<1, and , The e is 0≤e<1.

Description

열전재료, 이를 포함하는 열전모듈 및 열전장치{THERMOELECTRIC MATERIALS, AND THERMOELECTRIC MODULE AND THERMOELECTRIC APPARATUS COMPRISING THE SAME}Thermoelectric materials, thermoelectric modules and thermoelectric devices including them {THERMOELECTRIC MATERIALS, AND THERMOELECTRIC MODULE AND THERMOELECTRIC APPARATUS COMPRISING THE SAME}

본 발명은 열전재료, 이를 포함하는 열전모듈 및 열전장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a thermoelectric material, a thermoelectric module including the same, and a thermoelectric device.

일반적으로 열전재료는 펠티어 효과(Peltier effect) 및/또는 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용하여 능동냉각 및 폐열발전 등에 응용할 수 있는 재료이다.In general, thermoelectric materials are materials that can be applied to active cooling and waste heat power generation by using the Peltier effect and/or the Seebeck effect.

상기 펠티어 효과를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, 상기 펠티어 효과는 외부전원에서 DC 전압을 가해주었을 때 p-type 재료의 정공과 n-type 재료의 전자가 이동함으로써 재료 양단에 발열과 흡열을 일으키는 현상이다.A diagram showing the Peltier effect is shown in FIG. 1. Referring to FIG. 1, the Peltier effect is a phenomenon in which holes of a p-type material and electrons of an n-type material move when a DC voltage is applied from an external power source, thereby causing heat generation and endothermic heat at both ends of the material.

상기 제벡 효과를 보여주는 도면이 도 2에 도시된다. 도 2를 참조하면, 외부열원에서 열을 공급 받을 때 전자와 정공이 이동하면서 재료에 전류의 흐름이 생겨 발전(發電)을 일으키는 현상을 말한다.A diagram showing the Seebeck effect is shown in FIG. 2. Referring to FIG. 2, when heat is supplied from an external heat source, electrons and holes move, and current flows in the material, causing power generation.

이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각은 소자의 열적 안정성을 개선시키고 진동과 소음이 없으며 별도의 응축기와 냉매를 사용하지 않아 부피가 작고 환경 친화적인 방법으로서 인식되고 있다. 이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각의 응용 분야로서는 무냉매 냉장고, 에어컨, 각종 마이크로 냉각 시스템 등에 사용할 수 있으며, 특히, 각종 메모리 소자에 열전소자를 부착시키면 기존의 냉각방식에 비해 부피는 줄이면서 소자를 균일하고 안정한 온도로 유지시킬 수 있으므로 소자의 성능을 개선할 수 있다.Active cooling using such a thermoelectric material improves the thermal stability of the device, has no vibration and noise, and does not use a separate condenser and refrigerant, and is therefore recognized as a small volume and environmentally friendly method. As an application field of such active cooling using thermoelectric materials, it can be used for non-refrigerant refrigerators, air conditioners, and various micro cooling systems. In particular, when thermoelectric elements are attached to various memory elements, the volume is reduced compared to the conventional cooling method. Since it can be maintained at a uniform and stable temperature, the performance of the device can be improved.

한편 제벡 효과를 이용하여 열전재료를 열전발전에 활용하면 폐열(waste heat)을 에너지원으로 활용할 수 있어서 자동차 엔진 및 배기장치, 쓰레기 소각장, 제철소 폐열, 인체 열을 이용한 인체 내 의료기기의 전원 등 에너지의 효율을 높이거나 폐열을 수거하여 사용하는 다양한 분야에 응용할 수 있다.On the other hand, if thermoelectric materials are used for thermoelectric power generation using the Seebeck effect, waste heat can be used as an energy source, so energy such as automobile engines and exhaust systems, waste incinerators, waste heat from steel mills, and power of medical devices in the human body using human heat It can be applied to various fields that increase the efficiency of the product or collect and use waste heat.

이와 같은 열전재료의 성능을 측정하는 인자로는 다음 수학식 1과 같이 정의되는 무차원 성능지수 ZT값을 사용한다:As a factor for measuring the performance of such a thermoelectric material, a dimensionless figure of merit ZT value defined as in Equation 1 below is used:

<수학식 1><Equation 1>

Figure 112014073175956-pat00001
Figure 112014073175956-pat00001

식 중, S는 제벡계수, σ는 전기전도도, T는 절대온도, κ열전도도이다.In the formula, S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, T is the absolute temperature, and κ thermal conductivity.

상기 무차원 성능지수 ZT값을 증가시키기 위해서는 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 재료를 찾아야 한다.In order to increase the dimensionless figure of merit ZT, it is necessary to find a material with high Seebeck coefficient and high electrical conductivity and low thermal conductivity.

그러나, 일반적인 Indium Selenide In4Se3 -x 열전소재는 ZT 1.48을 갖는 n-type 결정소재로써 전류밀도가 1018 cm-3 정도이다. 이 정도의 전류밀도는 열전소재의 최적화된 전류밀도인 1019~1020 cm-3에 미치지 못하는 것으로써 열전물성 최적화가 이루어지지 않았다.However, the general Indium Selenide In 4 Se 3 -x thermoelectric material is an n-type crystal material having ZT 1.48 and has a current density of about 10 18 cm -3 . This degree of current density is less than 10 19 ~ 10 20 cm -3 , which is the optimized current density of the thermoelectric material, so thermoelectric property optimization has not been achieved.

전자도핑을 통해 전류밀도를 향상시키기 위하여 chlorine을 도핑한 Indium Selenide In4Se3 - xCl0 .03 열전소재는 전류밀도가 1019 cm-3으로 향상되어 최고 ZT값이 1.53으로 향상되고 저온에서 특성에 크기 개선되어 넓은 작동온도를 갖게 되었다.In order to improve the current density through electron doping, the chlorine-doped Indium Selenide In 4 Se 3 - x Cl 0 .03 thermoelectric material improves the current density to 10 19 cm -3 , so the maximum ZT value is improved to 1.53 and at low temperatures. It has a wide operating temperature due to its size improvement in characteristics.

그러나 Boltzmann transport 계산으로부터 In4Se3 -x(0.22 eV)와 In4Se3 -xCl0.03(0.34 eV) 모두 최적의 파워팩터 S2σ를 갖는 영역(0.8 eV)으로부터 많이 떨어져 있어 전자 도핑이 더 많이 이루어져야 한다.
However, from the Boltzmann transport calculation, both In 4 Se 3 -x (0.22 eV) and In 4 Se 3 -x Cl 0.03 (0.34 eV) are far away from the region with the optimal power factor S2σ (0.8 eV), resulting in more electron doping. It must be done.

본 발명은 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 매우 낮은 열전재료, 이를 포함하는 열전모듈 및 열전장치를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a thermoelectric material having high Seebeck coefficient and high electrical conductivity and very low thermal conductivity, a thermoelectric module including the same, and a thermoelectric device.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명은 하기 화학식 1의 화합물을 포함하는 열전재료를 제공한다:The present invention provides a thermoelectric material including the compound of Formula 1:

<화학식 1><Formula 1>

A4- aMbM'c(B1- xB'x)3- dXe A 4- a M b M'c (B 1- x B'x ) 3- d X e

식 중,In the formula,

상기 A는 13족 원소를 나타내고, Wherein A represents a group 13 element,

상기 M 및 M'은 서로 상이하고, M 및 M'은 14족 또는 전이금속 원소를 나타내고,The M and M'are different from each other, and M and M'represent a Group 14 or transition metal element,

상기 B 및 B'은 서로 상이하고, B 및 B'은 칼코겐족 원소를 나타내고,B and B'are different from each other, B and B'represent a chalcogen element,

상기 X는 할로겐 원소를 나타내며,X represents a halogen element,

상기 a는 -1<a<1이고, 상기 b는 0<b<1이고, 상기 c는 0<c<1이고, 상기 x는 0≤x<1이고, 상기 d는 0≤d<1이며, 상기 e는 0≤e<1이다.Wherein a is -1<a<1, b is 0<b<1, c is 0<c<1, x is 0≦x<1, and d is 0≦d<1, and , The e is 0≤e<1.

상기 d는 0.1≤d≤0.5일 수 있다.The d may be 0.1≦d≦0.5.

상기 e는 0≤e≤0.06일 수 있다.The e may be 0≦e≦0.06.

상기 화학식 1의 화합물은 in-plane 방향으로 불규칙 배열을 갖고, out-of-plane 방향으로 규칙 배열을 갖는 층상 구조를 나타낼 수 있다.The compound of Formula 1 may have an irregular arrangement in an in-plane direction and a layered structure having a regular arrangement in an out-of-plane direction.

상기 화학식 1의 화합물은 in-plane 방향으로 공유 결합을 형성하고, out-of-plane 방향으로 이온 결합 및/또는 반데르발스(Van der Waals) 결합을 형성할 수 있다.The compound of Formula 1 may form a covalent bond in an in-plane direction and an ionic bond and/or a Van der Waals bond in an out-of-plane direction.

상기 화학식 1의 화합물은 전류 밀도에 의한 격자왜곡을 갖을 수 있다.The compound of Formula 1 may have lattice distortion due to current density.

상기 화학식 1의 화합물은 1016 cm-3 내지 1020 cm-3일 수 있다.The compound of Formula 1 may be 10 16 cm -3 to 10 20 cm -3 .

상기 화학식 1의 화합물은 상온에서 2W/mK 이하의 열전도도를 갖는 것일 수 있다.The compound of Formula 1 may have a thermal conductivity of 2W/mK or less at room temperature.

상기 화학식 1의 화합물은 다결정 구조 또는 단결정 구조를 가질 수 있다.The compound of Formula 1 may have a polycrystalline structure or a single crystal structure.

상기 화학식 1의 화합물은 이론밀도의 80% 내지 100%에 해당하는 밀도를 갖는 것일 수 있다.The compound of Formula 1 may have a density corresponding to 80% to 100% of the theoretical density.

본 발명의 일 구현예로, 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재된 열전소자를 구비하며, 상기 열전소자가 상기 열전재료를 포함하는 열전모듈을 제공한다.In one embodiment of the present invention, there is provided a thermoelectric module comprising a first electrode, a second electrode, and a thermoelectric element interposed between the first electrode and the second electrode, the thermoelectric element including the thermoelectric material. .

본 발명의 다른 구현예로, 열공급원, 상기 열공급원으로부터 열을 흡수하는 열전소자, 상기 열전소자와 접촉하도록 배치된 제1 전극, 및 상기 제1 전극과 대향하도록 배치되며 상기 열전소자와 접촉하는 제2 전극을 구비하는 열전모듈을 구비하며, 상기 열전소자가 상기 열전재료를 포함하는 열전장치를 제공한다.
In another embodiment of the present invention, a heat supply source, a thermoelectric element absorbing heat from the heat supply source, a first electrode disposed to contact the thermoelectric element, and a first electrode disposed to face the first electrode and contacting the thermoelectric element It provides a thermoelectric device comprising a thermoelectric module having a second electrode, wherein the thermoelectric element includes the thermoelectric material.

본 발명에 따른 열전재료는 두 종류 이상의 14족 또는 전이금속 원소를 첨가하거나, 두 종류 이상의 14족 또는 전이금속 원소와 할로겐 원소를 첨가한 것을 특징으로 하는바, 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 매우 낮아, 성능지수가 우수하다. 따라서, 무냉매 냉장고, 에어컨, 폐열발전, 군사 항공 우주용 열전 핵발전, 마이크로 냉각 시스템 등에 유용하게 사용할 수 있다.
The thermoelectric material according to the present invention is characterized in that two or more types of Group 14 or transition metal elements are added, or two or more types of Group 14 or transition metal elements and halogen elements are added, and have high Seebeck coefficient and electrical conductivity and thermal conductivity. Is very low, and the figure of merit is excellent. Therefore, it can be usefully used for refrigerant-free refrigerators, air conditioners, waste heat power generation, thermoelectric nuclear power generation for military aerospace, micro cooling systems, and the like.

도 1은 펠티어 효과에 의한 열전냉각을 나타내는 개략도이다.
도 2는 제벡 효과에 의한 열전발전을 나타내는 개략도이다.
도 3은 In4Se3의 결정 구조를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 온도에 따른 전기저항을 나타내는 그림이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 온도에 따른 제벡계수를 나타내는 그림이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 온도에 따른 파워팩터(S2σ)를 나타내는 그림이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 온도에 따른 열전도도를 나타내는 그림이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 온도에 따른 무차원 성능지수(ZT)값을 나타내는 그림이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se2 .9Cle의 온도에 따른 전기저항을 나타내는 그림이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se2 .9Cle의 온도에 따른 제벡계수를 나타내는 그림이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se2 .9Cle의 온도에 따른 파워팩터(S2σ)를 나타내는 그림이다.
1 is a schematic diagram showing thermoelectric cooling by a Peltier effect.
2 is a schematic diagram showing thermoelectric power generation by the Seebeck effect.
3 is a schematic diagram showing the crystal structure of In 4 Se 3 .
4 is a diagram showing electrical resistance according to temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing the Seebeck coefficient according to the temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a power factor (S 2 σ) according to temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing thermal conductivity according to temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram showing a dimensionless figure of merit (ZT) value according to temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram showing electrical resistance according to temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 2 .9 Cl e according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing the Seebeck coefficient according to the temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 2 .9 Cl e according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram showing a power factor (S 2 σ) according to the temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 2 .9 Cl e according to an embodiment of the present invention.

본 발명자들은 열전재료를 제조함에 있어, 두 종류 이상의 14족 또는 전이금속 원소를 첨가하거나, 두 종류 이상의 14족 또는 전이금속 원소와 할로겐 원소를 첨가함으로써 제벡계수와 전기전도도가 높아지고 열전도도가 매우 낮아짐을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
In manufacturing thermoelectric materials, the present inventors added two or more types of Group 14 or transition metal elements, or by adding two or more types of Group 14 or transition metal elements and halogen elements, thereby increasing the Seebeck coefficient and electrical conductivity and reducing the thermal conductivity very much. And completed the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 하기 화학식 1의 화합물을 포함하는 열전재료를 제공한다:The present invention provides a thermoelectric material including the compound of Formula 1:

<화학식 1><Formula 1>

A4- aMbM'c(B1- xB'x)3- dXe A 4- a M b M'c (B 1- x B'x ) 3- d X e

식 중,In the formula,

상기 A는 13족 원소를 나타내고, Wherein A represents a group 13 element,

상기 M 및 M'은 서로 상이하고, M 및 M'은 14족 또는 전이금속 원소를 나타내고,The M and M'are different from each other, and M and M'represent a Group 14 or transition metal element,

상기 B 및 B'은 서로 상이하고, B 및 B'은 칼코겐족 원소를 나타내고,B and B'are different from each other, B and B'represent a chalcogen element,

상기 X는 할로겐 원소를 나타내며,X represents a halogen element,

상기 a는 -1<a<1이고, 상기 b는 0<b<1이고, 상기 c는 0<c<1이고, 상기 x는 0≤x<1이고, 상기 d는 0≤d<1이며, 상기 e는 0≤e<1이다.Wherein a is -1<a<1, b is 0<b<1, c is 0<c<1, x is 0≦x<1, and d is 0≦d<1, and , The e is 0≤e<1.

구체적으로, 본 발명에 따른 열전재료는 두 종류 이상의 14족 또는 전이금속 원소를 첨가하거나, 두 종류 이상의 14족 또는 전이금속 원소와 할로겐 원소를 첨가한 것을 특징으로 한다. Specifically, the thermoelectric material according to the present invention is characterized in that two or more types of Group 14 or transition metal elements are added, or two or more types of Group 14 or transition metal elements and a halogen element are added.

이때, 상기 A는 13족 원소를 나타내는 것으로, In 또는 Ga인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.In this case, A represents a group 13 element, and is preferably In or Ga, but is not limited thereto.

상기 M 및 M'은 서로 상이하고, M 및 M'은 14족 또는 전이금속 원소를 나타내는 것으로, Pb 또는 Sn인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The M and M'are different from each other, and M and M'represent Group 14 or a transition metal element, and are preferably Pb or Sn, but are not limited thereto.

상기 B 및 B'은 서로 상이하고, B 및 B'은 칼코겐족 원소를 나타내는 것으로, S, Se 또는 Te인 것이 바람직하고, Se 또는 Te인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The B and B'are different from each other, and B and B'represent a chalcogen group element, preferably S, Se or Te, and more preferably Se or Te, but are not limited thereto.

상기 X는 할로겐 원소를 나타내는 것으로, Cl 또는 I인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The X represents a halogen element, and is preferably Cl or I, but is not limited thereto.

또한, 상기 a는 -1<a<1인 것으로, 바람직하게는 0≤a<1일 수 있다.In addition, a may be -1<a<1, and preferably 0≦a<1.

상기 b는 0<b<1이고, 상기 c는 0<c<1인 것으로, 본 발명에 따른 열전재료는 두 종류 이상의 14족 또는 전이금속 원소를 첨가한 것을 특징으로 한다.Wherein b is 0<b<1, and c is 0<c<1, the thermoelectric material according to the present invention is characterized in that two or more types of Group 14 or transition metal elements are added.

상기 d는 0≤d<1인 것으로, 바람직하게는 0.1≤d≤0.5일 수 있다.The d may be 0≦d<1, preferably 0.1≦d≦0.5.

상기 e는 0≤e<1인 것으로, 바람직하게는 0≤e≤0.06일 수 있다.
The e may be 0≦e<1, and preferably 0≦e≦0.06.

상기 화학식 1의 화합물은 in-plane 방향으로 불규칙 배열을 갖고, out-of-plane 방향으로 규칙 배열을 갖는 층상 구조를 나타낼 수 있다.The compound of Formula 1 may have an irregular arrangement in an in-plane direction and a layered structure having a regular arrangement in an out-of-plane direction.

또한, 상기 화학식 1의 화합물은 in-plane 방향으로 공유 결합을 형성하고, out-of-plane 방향으로 이온 결합 및/또는 반데르발스(Van der Waals) 결합을 형성할 수 있어, 열전도도가 매우 낮다.In addition, the compound of Formula 1 can form a covalent bond in the in-plane direction, and an ionic bond and/or a Van der Waals bond in the out-of-plane direction, so that the thermal conductivity is very low.

또한, 상기 화학식 1의 화합물은 전류 밀도에 의한 격자왜곡을 갖을 수 있고, 이때, 상기 전류 밀도는 1016 cm-3 내지 1020 cm-3일 수 있다.In addition, the compound of Formula 1 may have lattice distortion due to a current density, and in this case, the current density may be 10 16 cm -3 to 10 20 cm -3 .

상기 화학식 1의 화합물은 격자왜곡을 갖지 않을 수 있으나, 전류 밀도의 변화에 따라 격자왜곡을 갖을 수 있다. 특히, 전류 밀도가 증가하면 적정 영역에서 전자와 주변 원자들과의 강한 상호작용으로 상기 화합물의 격자를 왜곡시켜 열전도도를 감소시키게 되므로, 보다 바람직하다. The compound of Formula 1 may not have lattice distortion, but may have lattice distortion according to a change in current density. In particular, an increase in the current density is more preferable because the lattice of the compound is distorted due to a strong interaction between electrons and surrounding atoms in an appropriate region, thereby reducing thermal conductivity.

즉, 상기 전류밀도가 1016 cm-3 미만인 경우에는 전류 밀도에 의한 격자왜곡을 갖지 않으나, 상기 전류밀도가 1016 cm-3 내지 1020 cm-3인 경우에는 전류 밀도에 의한 격자왜곡을 갖을 수 있다.In other words, when the current density is less than 10 16 cm -3 , there is no lattice distortion due to the current density, but when the current density is 10 16 cm -3 to 10 20 cm -3 , the lattice distortion due to the current density will occur. I can.

상기와 같이 전류 밀도를 증가시켜 격자왜곡을 유발하는 방법으로는 상기 화학식 1의 화합물의 합성방법 상의 조건을 변화시켜 물성을 변화시키는 방법, 도핑 원소를 첨가하는 방법 또는 흠결(defect)을 유도하는 방법 등을 사용할 수 있다.As a method of causing lattice distortion by increasing the current density as described above, a method of changing physical properties by changing the conditions of the synthesis method of the compound of Formula 1, a method of adding a doping element, or a method of inducing defects. Etc. can be used.

상기 물성 변화를 위한 제조 공정 상의 조건으로서는 소성 공정에서 소성 온도 또는 소성 시간을 조절하거나 압력 조건 등을 변화시킬 수 있으며, 상기 흠결을 유도하는 방법으로서는 상기 화학식 1의 화합물의 제조시 원료 물질인 M 성분 및/또는 B 성분을 화학양론보다 부족하게 첨가함으로써 수행할 수 있다.As conditions on the manufacturing process for the change of the physical properties, the firing temperature or the firing time can be adjusted or the pressure conditions can be changed in the firing process, and as a method of inducing the defect, the M component, which is a raw material in the preparation of the compound of Formula 1 And/or by adding component B less than stoichiometric.

상기와 같이 전류밀도를 변화시킴으로써 상기 화학식 1의 화합물은 in-plane 방향으로 불규칙 배열을 갖고, out-of-plane 방향으로 규칙 배열을 갖는 층상 구조를 나타낼 수 있어, 낮은 열전도도를 나타낸다.By changing the current density as described above, the compound of Formula 1 can exhibit a layered structure having an irregular arrangement in an in-plane direction and a regular arrangement in an out-of-plane direction, thereby exhibiting low thermal conductivity.

상기 화학식 1의 화합물은 격자 구조 내에서 A 성분이 거의 일차원적으로 배열되어 이 경로를 따라 전자 또는 홀이 이동하므로 저차원 전도특성에 의해 제백계수가 향상된다.In the compound of Formula 1, the A component is arranged almost one-dimensionally in the lattice structure, so that electrons or holes move along this path, so that the Seebeck coefficient is improved due to low-dimensional conduction characteristics.

상기 화학식 1의 화합물에서 기본 성분인 M 성분 및 B 성분에 도핑 성분이 M'성분 및 B'성분이 선택적으로 첨가되어 전기전도도가 개선됨으로써 하기 수학식 1의 ZT값이 증가하게 된다:In the compound of Formula 1, the doping component M'component and B'component are selectively added to the basic components M and B components to improve electrical conductivity, thereby increasing the ZT value of the following equation:

<수학식 1><Equation 1>

Figure 112014073175956-pat00002
Figure 112014073175956-pat00002

식 중, S는 제벡계수, σ는 전기전도도, T는 절대온도, κ는 열전도도이다.In the formula, S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, T is the absolute temperature, and κ is the thermal conductivity.

도핑 성분인 상기 M’성분 및 B’성분은 1성분계, 2성분계 또는 3성분계의 형태로 첨가될 수 있으며, 2성분계인 경우 그 몰비는 1:9내지 9:1의 비율로 첨가될 수 있으며, 3성분계의 경우 그 몰비는 1:0.1-0.9:0.1-0.9의 비율로 첨가될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The M'component and B'component, which are doping components, may be added in the form of a one-component system, a two-component system, or a three-component system, and in the case of a two-component system, the molar ratio may be added in a ratio of 1:9 to 9:1, In the case of a three-component system, the molar ratio may be added in a ratio of 1:0.1-0.9:0.1-0.9, but is not limited thereto.

이와 같은 화학식 1의 화합물을 구성하는 각 성분은 서로 결합하여 층상의 구조를 형성하며, 이들 층상 구조에서 in-plane 상으로는 공유결합을 형성하며, 이들 층(plane)간 결합은 이온결합 및/또는 반데르발스 결합을 형성한다.Each component constituting the compound of Formula 1 is bonded to each other to form a layered structure, and in these layered structures, covalent bonds are formed in the in-plane phase, and the bonds between these layers are ionic bonds and/or half Forms a der Waals bond.

일반적으로 열전도도(ktot)는 ktot=kel+kph와 같이 격자진동에 의한 열전도도(kph)와 전자에 의한 열전도도(kel)로 구별할 수 있으며, 전자 열전도도는 아래 수학식 2와 같이 비데만-프란쯔(Wiedemann-Frantz) 법칙에 의해 전기전도도(ρ)와 온도(T)에 비례하기 때문에 전자 열전도도는 전기전도도의 종속변수이다. In general, thermal conductivity (k tot ) can be classified into thermal conductivity (k ph ) due to lattice vibration and thermal conductivity (k el ) due to electrons, such as k tot = k el +k ph . Electronic thermal conductivity is a dependent variable of electrical conductivity because it is proportional to electrical conductivity (ρ) and temperature (T) according to the Wiedemann-Frantz law as shown in Equation 2.

<수학식 2><Equation 2>

Kel=LT/ρK el =LT/ρ

식 중, T는 온도이고, ρ는 전기전도도이고, L = 2.44 X 10-8ΩW/K2이며, K는 절대온도이다.In the formula, T is temperature, ρ is electrical conductivity, L = 2.44 X 10 -8 ΩW/K 2 , and K is absolute temperature.

따라서 좋은 열전재료는 낮은 격자 열전도도를 가져야 하며 이는 격자 구조의 제어를 통해 얻을 수 있다.Therefore, a good thermoelectric material must have a low lattice thermal conductivity, which can be obtained through control of the lattice structure.

상기 화학식 1의 화합물에 M성분 및 B성분 부족분이 생성되게 되면 전류밀도가 증가하고 증가한 전류밀도는 주변 원자들과의 상호작용으로 격자를 왜곡시켜 열전도도를 감소시키게 된다. 상기 격자 왜곡은 전자와 격자진동의 강한 상호작용으로 인해 발생하고, 열전도도를 저감시키는 역할을 수행하게 된다.When the M component and B component shortfalls are generated in the compound of Formula 1, the current density increases, and the increased current density distorts the lattice due to interactions with neighboring atoms, thereby reducing thermal conductivity. The lattice distortion occurs due to the strong interaction between electrons and lattice vibration, and serves to reduce thermal conductivity.

따라서, 상기 화학식 1의 화합물에서 in-plane 방향의 각 층은 격자 왜곡이 존재하는 상태에서 공유결합에 의해 강한 결합을 형성하고, 층간 결합, 즉 out-of-plane 방향으로는 이온결합 또는 반데르발스 결합을 하여 약한 결합을 형성하고 있으므로 out-of-plane 방향으로는 포논(phonon)의 전달이 어렵고, in-plane 에서는 격자왜곡으로 인해 in-plane과 out-of-plane 방향으로 모두 열전도도가 낮아지게 된다. 예를 들어 상기 화학식 1의 화합물은 상온에서 2W/mK 이하의 열전도도를 갖는 것일 수 있다.Therefore, in the compound of Formula 1, each layer in the in-plane direction forms a strong bond by covalent bonds in the presence of lattice distortion, and interlayer bonds, that is, ionic bonds or van der bonds in the out-of-plane direction. Because the weak bond is formed by the Bals coupling, it is difficult to transmit the phonon in the out-of-plane direction. In the in-plane, thermal conductivity in both the in-plane and out-of-plane directions due to lattice distortion. Becomes lower. For example, the compound of Formula 1 may have a thermal conductivity of 2W/mK or less at room temperature.

또한 상기 화학식 1의 화합물은 A성분, 예를 들어 In이 1차원적으로 배열되는 특성을 가지므로 이들에 의해 저차원 전도특성을 나타내게 되어 제벡계수 특성도 향상되는 효과를 갖게 된다.In addition, since the compound of Formula 1 has a characteristic in which the component A, for example In, is arranged one-dimensionally, it exhibits low-dimensional conduction characteristics by them, thereby improving the Seebeck coefficient characteristics.

일반적으로 저차원 전도특성을 가질수록 페르미 레벨에서 에너지 상태밀도가 높아진다고 알려져 있고, 에너지 상태밀도(density of state)가 뾰족한 특이점을 가지면 하기의 수학식 3과 같이 제벡계수가 증대하게 된다:In general, it is known that the lower the dimensional conduction characteristic, the higher the energy state density at the Fermi level, and if the energy state density (density of state) has a sharp singularity, the Seebeck coefficient increases as shown in Equation 3 below:

<수학식 3><Equation 3>

Figure 112014073175956-pat00003
Figure 112014073175956-pat00003

식 중, S는 제벡계수, ε은 에너지, EF는 페르미 에너지이다. In the formula, S is the Seebeck coefficient, ε is the energy, and E F is the Fermi energy.

상기 화학식 1의 화합물은 그 격자 구조 내에서 저차원적인 전기 특성을 가짐에 따라 페르미 레벨에서 에너지 상태 밀도가 높아지고, 이와 같은 높아진 에너지 상태 밀도에 높은 제벡계수를 갖게 된 것으로 해석할 수 있다.As the compound of Formula 1 has low-dimensional electrical properties in its lattice structure, it can be interpreted that the energy state density increases at the Fermi level, and has a high Seebeck coefficient at the higher energy state density.

상기 화학식 1의 화합물은 낮은 열전도도를 나타냄과 동시에 전자의 저차원의 전도특성으로 인해 제벡계수가 증가하게 된다. 따라서 열전재료로서 요구되는 특성을 만족시키게 된다.The compound of Formula 1 exhibits low thermal conductivity and increases the Seebeck coefficient due to the low-dimensional conduction characteristics of electrons. Therefore, the characteristics required as a thermoelectric material are satisfied.

상기 화학식 1의 화합물은 상술한 바와 같은 격자 왜곡을 포함하면서 단결정 구조 또는 다결정 구조를 가질 수 있다. 상기 화학식 1의 화합물을 열전재료로 사용시 이와 같은 단결정 구조 또는 다결정 구조는 상기 열전재료의 특성에 영향을 미칠 수 있게 된다.The compound of Formula 1 may have a single crystal structure or a polycrystalline structure while including lattice distortion as described above. When the compound of Formula 1 is used as a thermoelectric material, such a single crystal structure or a polycrystalline structure may affect the properties of the thermoelectric material.

또한, 상기 화학식 1의 화합물을 열전재료로 사용하는 경우, 이들은 소정 형상으로 절단되어 사용하게 되는 바, 그 절단 방향에 따라 다른 특성을 가질 수 있다. 예를 들어 상기 화합물이 단결정 구조를 갖는 경우, 열전소자 형성시 그 절단 방향이 성장방향에 수직 방향인 것이 바람직하다.In addition, when the compound of Formula 1 is used as a thermoelectric material, they are cut into a predetermined shape and used, and may have different characteristics depending on the cutting direction. For example, when the compound has a single crystal structure, it is preferable that the cutting direction is perpendicular to the growth direction when forming the thermoelectric element.

상기 열전재료는 다결정 구조 또는 단결정 구조를 가지는 것으로, 상기 화학식 1의 화합물의 합성방법은 다결정 합성법과 단결정 성장법으로 나뉜다. The thermoelectric material has a polycrystalline structure or a single crystal structure, and the synthesis method of the compound of Formula 1 is divided into a polycrystalline synthesis method and a single crystal growth method.

먼저 다결정 합성법을 보면, 앰플(Ampoule) 이용법, 아크 용융(Arc melting)법, 고상 반응법(Solid state reaction) 등이 있으며 이들을 간단히 설명하면 다음과 같다. First, looking at the polycrystalline synthesis method, there are an ampoule method, an arc melting method, and a solid state reaction method, and brief descriptions of these are as follows.

(1) 앰플(Ampoule) 이용법: 원료원소를 석영관 또는 금속으로 만든 앰플에 넣고 진공으로 밀봉하여 열처리하는 단계를 포함하는 방법;(1) Ampoule (Ampoule) usage: a method comprising the step of heat-treating by placing the source element in a quartz tube or an ampoule made of metal and sealing in a vacuum;

(2) 아크 용융(Arc melting)법: 원료원소를 챔버에 넣고 비활성기체 분위기 속에서 아크를 방전시켜 원료원소를 녹여 시료를 만드는 단계를 포함하는 방법;(2) Arc melting method: A method comprising the step of making a sample by discharging the raw material element into a chamber and discharging the arc in an inert gas atmosphere to melt the raw material element;

(3) 고상 반응법(Solid state reaction): 분말을 잘 섞어 단단하게 가공한 뒤 열처리하거나, 혼합분말을 열처리한 다음 가공하고 소결하는 단계를 포함하는 방법.(3) Solid state reaction: A method comprising the steps of mixing the powder well and processing it hard and then heat-treating or heat-treating the mixed powder and then processing and sintering.

다음으로 단결정 성장법을 보면, 금속 플럭스(Metal flux)법, 브릿지맨(Bridgeman)법 등이 있으며, 이들을 간단히 설명하면 다음과 같다.Next, looking at the single crystal growth method, there are a metal flux method, a Bridgeman method, and the like, and brief descriptions thereof are as follows.

(1) 금속 플럭스(Metal flux)법: 원료원소와 원료원소가 고온에서 결정으로 잘 성장할 수 있도록 분위기를 제공하는 원소를 도가니에 넣고 고온에서 열처리하여 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 방법;(1) Metal flux method: a method comprising the step of growing a crystal by putting an element providing an atmosphere in a crucible and heat-treating at a high temperature so that the raw element and the raw element can grow well into a crystal at high temperature;

(2) 브릿지맨(Bridgeman) 법: 원료원소를 도가니에 넣고 도가니 끝 쪽에서 원료원소가 용해 될 때까지 고온으로 가열한 다음, 고온영역을 천천히 이동시켜 시료를 국부적으로 용해시키면서 시료 전체를 고온영역으로 통과하게 하여 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 방법;(2) Bridgeman method: Put the raw material in a crucible, heat it at high temperature until the raw material element dissolves at the end of the crucible, and then slowly move the high-temperature region to dissolve the sample locally while dissolving the entire sample into the high-temperature region. A method comprising passing through to grow a crystal;

(3) 광학 유동 영역법(Optical floating zone): 원료원소를 막대 형상으로 씨드 로드(seed rod)와 피드(feed rod)로 만든 다음 피드 로드를 램프의 빛을 한 초점에 모아 국부적으로 고온으로 시료를 용해시키면서 용해부분을 위쪽으로 천천히 끌어올려 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 방법;(3) Optical floating zone method: The raw material elements are made into a rod shape into a seed rod and a feed rod, and then the sample is locally heated by collecting the light from the lamp at one focus. A method comprising the step of growing a crystal by slowly pulling the dissolved portion upward while dissolving it;

(4) 증기 전송(Vapor transport) 법: 원료원소를 석영관 아래쪽에 넣고 원료 원소 부분을 가열하고 석영관 위쪽은 낮은 온도로 두어 원료원소가 기화되면서 낮은 온도에서 고상반응을 일으키며 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 방법.(4) Vapor transport method: A step in which a raw material element is placed under the quartz tube, the raw material element part is heated, and the upper part of the quartz tube is placed at a low temperature to evaporate the raw material and cause a solid phase reaction at a low temperature to grow crystals. How to include.

상기 화학식 1의 화합물의 합성방법에서, 선택적인 원소도핑을 통해 전류밀도를 최적화시킴으로써 전자와 홀이 공존하는 2밴드 전도(2 band conduction)가 일어나는 경우, 전자 또는 홀 중 하나만 전도특성이 일어나게 함으로써 파워팩터가 크고 열전도도가 매우 작은 열전재료를 만들게 된다.In the synthesis method of the compound of Formula 1, when the current density is optimized through selective element doping, when two-band conduction in which electrons and holes coexist occurs, power is generated by making only one of the electrons or holes conductive. It makes a thermoelectric material with a large factor and very small thermal conductivity.

이와 같은 도핑원소의 도핑 공정은 상기 다결정 성장법 혹은 단결정 성장법 중 원료원소의 일부로서 첨가하여 행해질 수 있다.The doping process of such a doping element may be performed by adding it as a part of the raw material element in the polycrystalline growth method or the single crystal growth method.

한편 상기 도핑원소의 도핑 공정 외에 다결정 화합물의 경우 추가적으로 고밀도화 공정을 수행하는 것도 가능하다. 이와 같은 고밀도화 공정에 의해 추가적인 전기전도도의 개선이 가능해진다.Meanwhile, in the case of a polycrystalline compound, in addition to the doping process of the doping element, it is possible to additionally perform a densification process. Additional electrical conductivity can be improved by such a high density process.

상기 고밀도화 공정으로서는 하기 3가지 공정을 예로 들 수 있다:Examples of the densification process include the following three processes:

(1) 핫 프레스법: 대상체인 분말 화합물을 소정 형상의 몰드에 가하고 고온, 예를 들어 300 내지 800℃ 및 고압, 예를 들어 30 내지 300 MPa에서 성형하는 방법;(1) Hot pressing method: a method of applying a powder compound as an object to a mold having a predetermined shape and molding at a high temperature, for example, 300 to 800°C and high pressure, for example, 30 to 300 MPa;

(2) 스파크 플라즈마 소결법: 대상체인 분말 화합물에 고전압 전류, 예를 들(2) Spark plasma sintering method: high voltage current to a powder compound as an object, for example

어 50 내지 500 A를 통전하여 짧은 시간에 재료를 소결하는 방법;A method of sintering the material in a short time by energizing 50 to 500 A;

(3) 핫 포징법: 대상체인 분말에 가압성형시 고온, 예를 들어 300 내지 700℃을 가하여 압출소결하여 가공하는 방법.(3) Hot Posing Method: A method of processing by extruding and sintering the object powder by applying a high temperature, for example, 300 to 700°C during pressure molding.

상기 고밀도화 공정에 의해 상기 열전재료는 이론밀도의 80% 내지 100%에 해당하는 밀도를 갖을 수 있고, 이론밀도의 95% 내지 100%에 해당하는 밀도를 갖는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 열전재료의 밀도에 따라 보다 증가된 이온전도도를 나타낼 수 있다.Through the densification process, the thermoelectric material may have a density corresponding to 80% to 100% of the theoretical density, and it is preferable to have a density corresponding to 95% to 100% of the theoretical density, but is not limited thereto. According to the density of the thermoelectric material, the ionic conductivity may be increased.

상기 화학식 1의 화합물은 격자 구조의 제어를 통해 낮은 열전도도를 나타낸과 동시에, 선택적인 도핑 처리에 의해 전자 및 홀을 주입하여 전자-홀의 제벡계수 상쇄현상을 개선시켜 제벡계수를 증대시키고 전류밀도를 최적화하여 전기전도성이 개선될 수 있으므로 높은 열전성능을 기대할 수 있어, 우수한 열전재료로서 용도를 갖게 된다.The compound of Formula 1 exhibits low thermal conductivity through control of the lattice structure, and at the same time, improves the Seebeck coefficient cancellation phenomenon of electron-holes by injecting electrons and holes through selective doping treatment, thereby increasing the Seebeck coefficient and increasing the current density. Since electrical conductivity can be improved through optimization, high thermoelectric performance can be expected, and thus, it has a use as an excellent thermoelectric material.

상기 열전재료를 절단 가공 등의 방법으로 성형하여 열전소자를 형성할 수 있고, 상기 열전소자는 p형 열전소자 또는 n형 열전소자일 수 있다. 이와 같은 열전소자는 열전재료를 소정의 형상, 예를 들어 직육면체의 형상으로 형성한 것을 의미한다. The thermoelectric material may be formed by cutting, or the like, to form a thermoelectric device, and the thermoelectric device may be a p-type thermoelectric device or an n-type thermoelectric device. Such a thermoelectric device refers to a thermoelectric material formed in a predetermined shape, for example, a rectangular parallelepiped shape.

한편, 상기 열전소자는 전극과 결합되어, 전류 인가에 의해 냉각 효과를 나타낼 수 있는 소자 또는 온도차에 의해 발전 효과를 나타낼 수 있는 소자일 수 있다.
Meanwhile, the thermoelectric device may be a device that is combined with an electrode to exhibit a cooling effect by applying a current or a device capable of exhibiting a power generation effect by a temperature difference.

본 발명의 일 구현예로, 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재된 열전소자를 구비하며, 상기 열전소자가 상기 열전재료를 포함하는 열전모듈을 제공한다.In one embodiment of the present invention, there is provided a thermoelectric module comprising a first electrode, a second electrode, and a thermoelectric element interposed between the first electrode and the second electrode, the thermoelectric element including the thermoelectric material. .

본 발명의 다른 구현예로, 열공급원, 상기 열공급원으로부터 열을 흡수하는 열전소자, 상기 열전소자와 접촉하도록 배치된 제1 전극, 및 상기 제1 전극과 대향하도록 배치되며 상기 열전소자와 접촉하는 제2 전극을 구비하는 열전모듈을 구비하며, 상기 열전소자가 상기 열전재료를 포함하는 열전장치를 제공한다.In another embodiment of the present invention, a heat supply source, a thermoelectric element absorbing heat from the heat supply source, a first electrode disposed to contact the thermoelectric element, and a first electrode disposed to face the first electrode and contacting the thermoelectric element It provides a thermoelectric device comprising a thermoelectric module having a second electrode, wherein the thermoelectric element includes the thermoelectric material.

본 발명에 따른 열전재료는 두 종류 이상의 14족 또는 전이금속 원소를 첨가하거나, 두 종류 이상의 14족 또는 전이금속 원소와 할로겐 원소를 첨가한 것을 특징으로 하는바, 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 매우 낮아, 성능지수가 우수하다. 따라서, 무냉매 냉장고, 에어컨, 폐열발전, 군사 항공 우주용 열전 핵발전, 마이크로 냉각 시스템 등에 유용하게 사용할 수 있다.
The thermoelectric material according to the present invention is characterized in that two or more types of Group 14 or transition metal elements are added, or two or more types of Group 14 or transition metal elements and halogen elements are added, and have high Seebeck coefficient and electrical conductivity and thermal conductivity. Is very low, and the figure of merit is excellent. Therefore, it can be usefully used for refrigerant-free refrigerators, air conditioners, waste heat power generation, thermoelectric nuclear power generation for military aerospace, micro cooling systems, and the like.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, a preferred embodiment is presented to aid the understanding of the present invention. However, the following examples are provided for easier understanding of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

[[ 실시예Example ]]

실시예Example

본 발명의 일 실시예를 위하여 열전재료용 화합물 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d(3-d = 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9)와 In4Pb0 .01Sn0 .03Se2 .9Cle(e = 0.0, 0.02, 0.04, 0.06)을 다음과 같은 방법으로 다결정법을 이용하여 합성하였다.For an embodiment of the present invention, compounds for thermoelectric materials In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d (3-d = 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9) and In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 2 .9 Cl e (e = 0.0, 0.02, 0.04, 0.06) was synthesized using a polycrystalline method in the following manner.

①In, Se, Pb, Sn 원소와 InCl3 분말을 조성비에 따라 각각 칭량하고 수정관에 넣고 진공 봉입하였다.① In, Se, Pb, Sn elements and InCl 3 powder were weighed according to the composition ratio, placed in a crystal tube, and sealed in a vacuum.

②1100℃에서 24 시간, 560℃에서 24 시간 열처리하였다.② Heat treatment was performed at 1100°C for 24 hours and at 560°C for 24 hours.

③균일한 조성비를 위하여 잉곳을 아게이트 유발(agate mortar)에 넣고 분말로 만든 다음 다시 수정관에 넣고 560℃에서 24 시간 열처리하였다.③ For uniform composition ratio, the ingot was put in an agate mortar, made into powder, and then put into a crystal tube and heat-treated at 560°C for 24 hours.

④잉곳을 다시 agate mortar에 넣고 분말로 만든 후 분말을 탄소몰드에 넣고 450℃의 온도에서 70MPa의 압력하에 5분간 핫 프레스법(hot press sintering)을 수행하여 소결체를 제작하였다. ④ Put the ingot back into the agate mortar to make powder, and then put the powder into a carbon mold and hot press sintering for 5 minutes under a pressure of 70 MPa at 450°C to prepare a sintered body.

⑤소결체를 표준 규격에 맞게 가공하여 열전물성을 측정하였다.
⑤ The sintered body was processed according to the standard and measured thermoelectric properties.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 온도에 따른 전기저항을 나타내는 그림이다. 도 4를 참조하면, 상온에서 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 전기저항은 Se 결함이 증가할수록 감소하는 경향을 보였고, 고온에서 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 전기저항은 복잡한 양상을 보였다. 이는 결함 유도에 따른 전자/홀의 공존일 가능성과 전하밀도에 의한 경쟁에 의해 복잡한 양상이 일어난 것으로 추정된다.4 is a diagram showing electrical resistance according to temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the electrical resistance of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d at room temperature tended to decrease as Se defects increased, and In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se at high temperature The electrical resistance of 3 -d showed a complicated pattern. It is presumed that a complicated pattern occurred due to the possibility of coexistence of electrons/holes due to defect induction and competition by charge density.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 온도에 따른 제벡계수를 나타내는 그림이다. 도 5를 참조하면, In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 제벡계수는 Se 결함에 따라 크게 변하지 않았다.5 is a diagram showing the Seebeck coefficient according to the temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the Seebeck coefficient of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d did not change significantly according to Se defects.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 온도에 따른 파워팩터(S2σ)를 나타내는 그림이다. 도 6을 참조하면, 파워팩터는 제벡계수의 측정으로부터 얻어지는 결과인 것으로, 약 520 K에서 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 파워팩터는 Se 2.8일 때 약 1.15 mWm-1K-2으로 가장 높은 값을 보였고, 고온에서 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 파워팩터는 온도에 민감하지 않는 경향을 보였다.6 is a diagram illustrating a power factor (S 2 σ) according to temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d according to an embodiment of the present invention. 6, the power factor is a result obtained from the measurement of the Seebeck coefficient, and the power factor of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d at about 520 K is about 1.15 mWm -1 when Se 2.8 The highest value was shown as K -2 , and the power factor of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d at high temperature showed a tendency not to be sensitive to temperature.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 온도에 따른 열전도도를 나타내는 그림이다. 도 7을 참조하면, In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 열전도도는 Se 결함이 증가할수록 증가하는 경향을 보였고, 온도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다.FIG. 7 is a diagram showing thermal conductivity according to temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, the thermal conductivity of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d tended to increase with increasing Se defects, and decreased with increasing temperature.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 온도에 따른 무차원 성능지수(ZT)값을 나타내는 그림이다. 도 8을 참조하면, 약 725K에서 Pb0 .01Sn0 .03Se3 -d의 ZT값은 Se 2.9일 때 약 1.2로 가장 높은 값을 보였다.8 is a diagram showing a dimensionless figure of merit (ZT) value according to temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8, at about 725 K, the ZT value of Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 3 -d was about 1.2 when Se 2.9 was the highest.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se2 .9Cle의 온도에 따른 전기저항을 나타내는 그림이다. 도 9를 참조하면, In4Pb0 .01Sn0 .03Se2 .9Cle의 전기저항은 Cl 도핑량이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다.9 is a diagram showing electrical resistance according to temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 2 .9 Cl e according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9, the electrical resistance of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 2 .9 Cl e tended to increase as the Cl doping amount increased.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se2 .9Cle의 온도에 따른 제벡계수를 나타내는 그림이다. 도 10을 참조하면, In4Pb0 .01Sn0 .03Se2 .9Cle의 제벡계수는 Cl 도핑량에 따라 크게 변하지 않았다.10 is a diagram showing the Seebeck coefficient according to the temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 2 .9 Cl e according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 10, the Seebeck coefficient of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 2 .9 Cl e did not change significantly depending on the amount of Cl doping.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 In4Pb0 .01Sn0 .03Se2 .9Cle의 온도에 따른 파워팩터(S2σ)를 나타내는 그림이다. 도 11을 참조하면, 파워팩터는 제벡계수의 측정으로부터 얻어지는 결과인 것으로, In4Pb0 .01Sn0 .03Se2 .9Cle의 파워팩터는 Cl 도핑량이 증가할수록 감소하나, 고온에서 In4Pb0 .01Sn0 .03Se2 .9Cle의 파워팩터는 Cl 0.02 및 Cl 0.04일 때 증가하는 경향을 보였다. 또한, 약 520 K에서 In4Pb0 .01Sn0 .03Se2 .9Cle의 파워팩터는 Cl 0일 때 약 1.0 mWm-1K-2으로 가장 높은 값을 보였고, 고온에서 In4Pb0.01Sn0.03Se2.9Cle의 파워팩터는 온도에 민감하지 않는 경향을 보였다.
11 is a diagram showing a power factor (S 2 σ) according to the temperature of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 2 .9 Cl e according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 11, the power factor is a result obtained from the measurement of the Seebeck coefficient. The power factor of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 2 .9 Cl e decreases as the amount of Cl doping increases, but In at high temperature, In The power factor of 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 2 .9 Cl e tended to increase when Cl 0.02 and Cl 0.04 were used. In addition, the power factor of In 4 Pb 0 .01 Sn 0 .03 Se 2 .9 Cl e at about 520 K showed the highest value of about 1.0 mWm -1 K -2 at Cl 0, and In 4 Pb at high temperature The power factor of 0.01 Sn 0.03 Se 2.9 Cl e tended to be insensitive to temperature.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it is possible to easily transform it into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not limiting.

Claims (12)

하기 화학식 1의 화합물을 포함하는 열전재료:
<화학식 1>
A4- aMbM'c(B1- xB'x)3- dXe
식 중,
상기 A는 13족 원소를 나타내고,
상기 M 및 M'은 서로 상이하고, M 및 M'은 14족 또는 전이금속 원소를 나타내고,
상기 B 및 B'은 서로 상이하고, B 및 B'은 칼코겐족 원소를 나타내고,
상기 X는 할로겐 원소를 나타내며,
상기 a는 -1<a<1이고, 상기 b는 0<b<1이고, 상기 c는 0<c<1이고, 상기 x는 0≤x<1이고, 상기 d는 0≤d<1이며, 상기 e는 0≤e<1이다.
Thermoelectric material containing the compound of Formula 1:
<Formula 1>
A 4- a M b M'c (B 1- x B'x ) 3- d X e
In the formula,
Wherein A represents a group 13 element,
The M and M'are different from each other, and M and M'represent a Group 14 or transition metal element,
B and B'are different from each other, B and B'represent a chalcogen element,
X represents a halogen element,
Wherein a is -1<a<1, b is 0<b<1, c is 0<c<1, x is 0≦x<1, and d is 0≦d<1, and , The e is 0≤e<1.
제1항에 있어서,
상기 d는 0.1≤d≤0.5인 열전재료.
The method of claim 1,
The d is a thermoelectric material of 0.1≦d≦0.5.
제1항에 있어서,
상기 e는 0≤e≤0.06인 열전재료.
The method of claim 1,
The thermoelectric material e is 0≤e≤0.06.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1의 화합물은 in-plane 방향으로 불규칙 배열을 갖고, out-of-plane 방향으로 규칙 배열을 갖는 층상 구조를 나타내는 열전재료.
The method of claim 1,
The compound of Formula 1 has an irregular arrangement in an in-plane direction, and a thermoelectric material exhibiting a layered structure having a regular arrangement in an out-of-plane direction.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1의 화합물은 in-plane 방향으로 공유 결합을 형성하고, out-of-plane 방향으로 이온 결합 및/또는 반데르발스(Van der Waals) 결합을 형성하는 열전재료.
The method of claim 1,
The compound of Formula 1 forms a covalent bond in an in-plane direction, an ionic bond and/or a Van der Waals bond in an out-of-plane direction.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1의 화합물은 전류 밀도에 의한 격자왜곡을 갖는 열전재료.
The method of claim 1,
The compound of Formula 1 is a thermoelectric material having lattice distortion due to current density.
제6항에 있어서,
상기 전류 밀도는 1016 cm-3 내지 1020 cm-3인 열전재료.
The method of claim 6,
The current density is 10 16 cm -3 to 10 20 cm -3 thermoelectric material.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1의 화합물은 상온에서 2W/mK 이하의 열전도도를 갖는 것인 열전재료.
The method of claim 1,
The thermoelectric material of the compound of Formula 1 has a thermal conductivity of 2W/mK or less at room temperature.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1의 화합물은 다결정 구조 또는 단결정 구조를 가지는 열전재료.
The method of claim 1,
The compound of Formula 1 is a thermoelectric material having a polycrystalline structure or a single crystal structure.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1의 화합물은 이론밀도의 80% 내지 100%에 해당하는 밀도를 갖는 것인 열전재료.
The method of claim 1,
The thermoelectric material of the compound of Formula 1 has a density corresponding to 80% to 100% of the theoretical density.
제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재된 열전소자를 구비하며,
상기 열전소자가 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 열전재료를 포함하는 열전모듈.
A first electrode, a second electrode, and a thermoelectric element interposed between the first electrode and the second electrode,
A thermoelectric module, wherein the thermoelectric element includes the thermoelectric material according to any one of claims 1 to 10.
열공급원, 상기 열공급원으로부터 열을 흡수하는 열전소자, 상기 열전소자와 접촉하도록 배치된 제1 전극, 및 상기 제1 전극과 대향하도록 배치되며 상기 열전소자와 접촉하는 제2 전극을 구비하는 열전모듈을 구비하며,
상기 열전소자가 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 열전재료를 포함하는 열전장치.
A thermoelectric module having a heat supply source, a thermoelectric element absorbing heat from the heat supply source, a first electrode disposed to contact the thermoelectric element, and a second electrode disposed to face the first electrode and contacting the thermoelectric element And,
A thermoelectric device including the thermoelectric material according to any one of claims 1 to 10.
KR1020140099041A 2014-08-01 2014-08-01 Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric apparatus comprising the same KR102151240B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140099041A KR102151240B1 (en) 2014-08-01 2014-08-01 Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric apparatus comprising the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140099041A KR102151240B1 (en) 2014-08-01 2014-08-01 Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric apparatus comprising the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160017240A KR20160017240A (en) 2016-02-16
KR102151240B1 true KR102151240B1 (en) 2020-09-03

Family

ID=55447777

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140099041A KR102151240B1 (en) 2014-08-01 2014-08-01 Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric apparatus comprising the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102151240B1 (en)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100009455A (en) * 2008-07-18 2010-01-27 삼성전자주식회사 Thermoelectric materials and chalcogenide compounds
KR101663183B1 (en) * 2010-08-26 2016-10-06 삼성전자주식회사 Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric device comprising same

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160017240A (en) 2016-02-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101616109B1 (en) Thermoelectric materials and Chalcogenide compounds
KR101688528B1 (en) Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric device comprising same
KR101663183B1 (en) Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric device comprising same
KR101995917B1 (en) Power factor enhanced thermoelectric material and method of producing same
KR102122553B1 (en) Natural superlattice structured thermoelectric materials
KR101680763B1 (en) Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric device comprising same
JP6266099B2 (en) High performance P-type thermoelectric material having reversible phase transition and method for producing the same
JP6563031B2 (en) Thermoelectric material, thermoelectric element and thermoelectric module including the same
CN103390721B (en) Thermoelectric material and the thermoelectric element, electrothermal module and thermoelectric device for including it
Zhao et al. High thermoelectric performance of Ag doped SnTe polycrystalline bulks via the synergistic manipulation of electrical and thermal transport
Liu et al. BiCuSeO as state-of-the-art thermoelectric materials for energy conversion: from thin films to bulks
JP6608961B2 (en) P-type skutterudite thermoelectric material, method for producing the same, and thermoelectric element including the same
US10038132B2 (en) Thermoelectric materials and their manufacturing method
KR20140065721A (en) Thermoelectric material, thermoelectric device and apparatus comprising same, and preparation method thereof
KR101688529B1 (en) Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric apparatus comprising same
US9419196B2 (en) Oxide nanoparticle-dispersed, chalcogenide-based, and phase-separated composite thermoelectric material
KR101959448B1 (en) Thermoelectric materials, thermoelectric device and method for manufacturing the same
KR102443775B1 (en) Thermoelectric materials
JP6635581B2 (en) Skutterudite thermoelectric semiconductor doped with silicon and tellurium, method for producing the same, and thermoelectric power generation element using the same
KR102151240B1 (en) Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric apparatus comprising the same
KR101442018B1 (en) Alkaline or alkaline earth metal doped indium selenide compound and thermoelectric materials manufactured by compounding the same
KR20220053725A (en) Germanium Telluride thermoelectric material
JP2020057727A (en) Thermoelectric material and manufacturing method therefor, and thermoelectric generation element
KR20170086988A (en) Thermoelectric material

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant