KR102234203B1 - Alloy for thermoelectric device and fabrication method thereof - Google Patents

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KR102234203B1
KR102234203B1 KR1020190141813A KR20190141813A KR102234203B1 KR 102234203 B1 KR102234203 B1 KR 102234203B1 KR 1020190141813 A KR1020190141813 A KR 1020190141813A KR 20190141813 A KR20190141813 A KR 20190141813A KR 102234203 B1 KR102234203 B1 KR 102234203B1
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thermoelectric
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홍순직
이철희
윤석민
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공주대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to an alloy for a thermoelectric element composed of 0.01 to 0.07 wt% of copper and 99.93 to 99.99 wt% of a p-type Bi-Sb-Te-based alloy. A manufacturing method of the alloy comprises: a first step of preparing a molten alloy by mixing and dissolving Bi, Te and Sb, and preparing a thermostar powder therefrom; a second step of preparing a composite powder by mixing the thermostar powder and copper powder; and a third step of sintering the composite powder by an electric pressure sintering method.

Description

열전소자용 합금 및 이의 제조방법{Alloy for thermoelectric device and fabrication method thereof}Alloy for thermoelectric device and manufacturing method thereof TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

본 발명은 높은 열전성능지수를 나타내는 열전소자용 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an alloy for a thermoelectric element exhibiting a high thermoelectric performance index and a method of manufacturing the same.

지구 온난화의 가속화 및 화석연료의 고갈 추세로 인해 기존 화석연료를 대체하기 위한 다양한 대체 에너지원에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 그중 가장 주목받는 대체 에너지원은 태양광, 풍력 및 지열을 이용한 발전 등이 있으며, 이외에도 버려지는 폐열을 이용한 열전발전에 대한 관심이 증가하고 있다. Due to the acceleration of global warming and the trend of depletion of fossil fuels, research and development on various alternative energy sources to replace existing fossil fuels are actively progressing. Among them, the most notable alternative energy sources include power generation using solar power, wind power, and geothermal heat, and in addition, interest in thermoelectric power generation using waste heat is increasing.

열전발전은 열전형상에 의한 것으로, 열과 전기사이의 직접적인 에너지 변환을 의미하며, 이러한 열전현상은 재료 내부의 전자 및 정공과 같은 전하 운반자의 이동에 이해 발생하는 현상으로 볼 수 있다. Thermoelectric power generation is due to a thermoelectric shape, which means direct energy conversion between heat and electricity, and this thermoelectric phenomenon can be viewed as a phenomenon that occurs due to the movement of charge carriers such as electrons and holes in a material.

열전현상은 전류의 흐름에 따라 한쪽에서는 흡열, 반대쪽에서는 발열을 일으키는 펠티어 효과와 온도 차이에 의해 전류가 흐르는 제벡효과로 구분되며, 이러한 열전현상에 의한 발전은 구조가 간단하고 유지관리가 용이하며 반영구적으로 이용이 가능한 장점이 있다. Thermoelectric phenomena are divided into a Peltier effect that causes heat absorption on one side and heat generation on the other side according to the flow of current, and a Seebeck effect through which current flows due to temperature difference.The power generation by this thermoelectric phenomenon is simple in structure, easy to maintain, and semi-permanent. There is an advantage that can be used as.

이러한 열전재료의 성능은 은 무차원 성능지수(dimensionless figure of merit)로 통칭되는 "ZT값"으로나타낼 수 있는데, 이는 "ZT = S2σT/k (S는 제벡계수, σ는 전기전도도, T는 절대온도, k는 열전도도이다.)"으로 나타낼 수 있으며, 열전 성능의 향상을 위하여 제벡 계수, 전기전도도 및 열전도도의 적절한 제어가 필요하고, 열전성능을 향상시키기 위한 다양한 연구가 수행되고 있다. The performance of such a thermoelectric material can be expressed as a "ZT value" commonly referred to as a dimensionless figure of merit, which is "ZT = S 2 σT/k (S is Seebeck coefficient, σ is electrical conductivity, T Is the absolute temperature and k is the thermal conductivity.)", and appropriate control of Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermal conductivity are required to improve thermoelectric performance, and various studies are being conducted to improve thermoelectric performance. .

대한민국 공개특허공보 제10-2019-0007235호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2019-0007235

본 발명의 목적은 Bi-Sb-Te계 합금 내에 구리의 분산을 통해 중온에서 우수한 열전성능을 나타내는 열전소자용 합금을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide an alloy for a thermoelectric device that exhibits excellent thermoelectric performance at medium temperature through dispersion of copper in a Bi-Sb-Te alloy.

본 발명에 의한 열전소자용 합금은 0.01 내지 0.07 중량%의 구리와 99.93 내지 99.99 중량%의 p형 Bi-Sb-Te계 합금으로 이루어진 것을 특징으로 한다. The alloy for a thermoelectric device according to the present invention is characterized in that it is made of 0.01 to 0.07% by weight of copper and 99.93 to 99.99% by weight of a p-type Bi-Sb-Te-based alloy.

본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금에서 상기 p형 Bi-Sb-Te계 합금은 하기 식 1을 만족할 수 있다. In the alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the p-type Bi-Sb-Te-based alloy may satisfy Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Bi0 .5- xSb1 .5+ xTe3 (-0.1≤X≤0.1) Bi 0 .5- x Sb 1 .5+ x Te 3 (-0.1≤X≤0.1)

본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금에서 상기 열전소자용 합금은 0.03 내지 0.05 중량%의 구리로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다. In the alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the alloy for a thermoelectric device may be made of 0.03 to 0.05% by weight of copper.

본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금에서 상기 열전소자용 합금은 400 내지 450 K에서 1.0 이상이 열전성능지수(ZT)를 나타내는 것을 특징으로 할 수 있다. In the alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the alloy for a thermoelectric device may exhibit a thermoelectric performance index (ZT) of 1.0 or more at 400 to 450 K.

본 발명은 또한 열전소자용 합금 제조방법을 제공한다. The present invention also provides a method for manufacturing an alloy for a thermoelectric device.

본 발명에 의한 열전소자용 합금 제조방법은 Bi, Te 및 Sb를 혼합 후 용해하여 용융합금을 제조하고, 이로부터 열전분말을 제조하는 제 1단계;The method for manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to the present invention comprises: a first step of mixing and dissolving Bi, Te, and Sb to prepare a molten alloy, and preparing a thermoelectric powder therefrom;

상기 열전분말 및 구리 분말을 혼합하여 복합분말을 제조하는 제 2단계; A second step of preparing a composite powder by mixing the thermoelectric powder and the copper powder;

상기 복합분말을 통전가압소결 방법으로 소결하는 제 3단계;를 포함한다.And a third step of sintering the composite powder by an electric current pressure sintering method.

본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금 제조방법에서 상기 제 1단계는 Bi, Te 및 Sb에 물을 분사하여 열전 분말을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. In the method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the first step may include generating thermoelectric powder by spraying water on Bi, Te, and Sb.

본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금 제조방법에서 상기 열전분말은 70 내지 80 중량%의 Sb2Te3와 20 내지 30 중량%의 Bi2Te3로 이루어진 것일 수 있다. In the method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the thermoelectric powder may be made of 70 to 80% by weight of Sb 2 Te 3 and 20 to 30% by weight of Bi 2 Te 3 .

본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금 제조방법에서 상기 혼합은 볼밀을 이용하는 것일 수 있다. In the method for manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the mixing may be performed using a ball mill.

본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금 제조방법에서 상기 볼밀은 아르곤 분위기 하에서 수행될 수 있다. In the method for manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the ball mill may be performed under an argon atmosphere.

본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금 제조방법에서 상기 볼밀은 200 내지 600 rpm으로 1 내지 10시간 동안 수행될 수 있다.In the method for manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the ball mill may be performed at 200 to 600 rpm for 1 to 10 hours.

본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금 제조방법에서 상기 구리 분말은 용융된 구리를 비활성 가스를 이용한 가스 아토마이제이션으로 처리하여 제조된 것일 수 있다. In the method for manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the copper powder may be manufactured by treating molten copper by gas atomization using an inert gas.

본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금 제조방법은 상기 제 2단계 후 제 3단계 전, 상기 복합 분말을 열처리하는 열처리 단계를 더 포함할 수 있다. The method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention may further include a heat treatment step of heat-treating the composite powder after the second step and before the third step.

본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금 제조방법에서 상기 열처리 단계는 400 내지 550 ℃의 진공 분위기에서 수행될 수 있다. In the method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the heat treatment step may be performed in a vacuum atmosphere of 400 to 550°C.

본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금 제조방법에서 상기 제 3단계는 온도가 300 내지 550 ℃이며, 압력이 30 내지 65 MPa인 조건에서 3분 이상 진행되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the method for manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the third step may be characterized in that it proceeds for 3 minutes or more under a condition of a temperature of 300 to 550° C. and a pressure of 30 to 65 MPa.

본 발명에 의한 열전소자용 합금은 p형 Bi-Sb-Te계 합금에 0.01 내지 0.07 중량%의 구리가 혼합됨으로써, 열전 성능 향상 뿐만이 아니라 최적 성능을 갖는 구동 온도 범위를 제어할 수 있다. In the alloy for a thermoelectric device according to the present invention, since 0.01 to 0.07% by weight of copper is mixed with the p-type Bi-Sb-Te-based alloy, not only the thermoelectric performance but also the driving temperature range having the optimum performance can be controlled.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 열전소자용 합금의 제벡계수, 전기전도도 및 출력인자를 측정하고 이를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 열전소자용 합금의 열전도도 및 열전성능 지수를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 열전소자용 합금의 열전도도 및 열전성능 지수를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 열전소자용 합금 제조방법에 있어서 볼밀링 시간에 따른 분말의 형상 및 입도 분포를 분석한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 소결체에 Atom probe Tomography분석을 수행하고 그 결과를 도시한 것이다.
1 is a diagram illustrating and measuring Seebeck coefficient, electrical conductivity, and output factor of an alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
2 shows the thermal conductivity and thermoelectric performance index of an alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
3 shows the thermal conductivity and thermoelectric performance index of an alloy for a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention.
4 is an analysis of the shape and particle size distribution of the powder according to the ball milling time in the method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to the present invention.
5 is an Atom probe tomography analysis on the sintered body manufactured according to an embodiment of the present invention and shows the results.

본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the embodiments of the present invention, and a method of achieving them will be apparent with reference to the embodiments described later in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to completely inform the scope of the invention to those who have, and the invention is only defined by the scope of the claims. The same reference numerals refer to the same elements throughout the specification.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing the embodiments of the present invention, if it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in an embodiment of the present invention, which may vary according to the intention or custom of users or operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the present specification.

본 발명은 0.01 내지 0.07 중량%의 구리 및 99.93 내지 99.99 중량%의 p형 Bi-Sb-Te계 합금으로 이루어진 열전소자용 합금에 관한 것이다. The present invention relates to an alloy for a thermoelectric element comprising 0.01 to 0.07% by weight of copper and 99.93 to 99.99% by weight of a p-type Bi-Sb-Te-based alloy.

종래 Bi2Te3계 합금을 이용한 열전재료는 상온 혹은 저온 범위에서 우수한 열전 성능을 나타내나, 온도의 상승에 따라 열전성능이 급격히 감소하는 문제가 있다. 본 출원인은 이러한 문제점을 해결하여 중온에서도 높은 열전성능을 나타내는 열전소자용 합금을 개발하고자 하였으며, 연구 결과 구리를 0.01 내지 0.07%로 소량 첨가하는 경우 중온에서 우수한 열전특성을 나타냄을 확인하였으며, 이에 따라 Bi2Te3계 열전소자의 적용범위가 더욱 확대되는 장점이 있다. 또한 본 발명에서 중온이라 함은 350 내지 500 K의 온도를 의미한다. 종래 BiTe계 열전재료는 상대적으로 최적 ZT 값을 나타내는 온도 범위가 낮아, 냉각용에만 사용되는 한계가 있었으나, 본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금은 상술한 온도범위에서 가장 높은 ZT값을 나타냄으로써, 냉각용 뿐만 아니라 발전용에도 사용이 가능한 장점이 있다. Conventionally , a thermoelectric material using a Bi 2 Te 3 alloy exhibits excellent thermoelectric performance at room temperature or in a low temperature range, but there is a problem in that the thermoelectric performance rapidly decreases with an increase in temperature. The applicant of the present invention attempted to solve this problem to develop an alloy for thermoelectric devices that exhibits high thermoelectric performance even at medium temperature. There is an advantage in that the application range of the Bi 2 Te 3 series thermoelectric device is further expanded. In addition, in the present invention, the term "medium temperature" means a temperature of 350 to 500 K. Conventional BiTe-based thermoelectric materials have a relatively low temperature range indicating an optimum ZT value, and thus have a limit that is only used for cooling. By showing, there is an advantage that it can be used not only for cooling but also for power generation.

구체적으로 본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금에서 상기 p형 Bi-Sb-Te계 합금은 상기 p형 Bi-Sb-Te계 합금은 하기 식 1을 만족할 수 있다. Specifically, in the alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the p-type Bi-Sb-Te-based alloy may satisfy Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Bi0 .5- xSb1 .5+ xTe3 (-0.1≤X≤0.1) Bi 0 .5- x Sb 1 .5+ x Te 3 (-0.1≤X≤0.1)

상술한 범위를 만족하는 Bi-Sb-Te계 합금을 이용함으로써 제조되는 열전소자용 합금의 열전도도를 향상시켜 더욱 열전성능이 우수한 합금의 제조가 가능한 장점이 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금은 400 내지 450 K에서 1.0 이상, 좋게는 1.1 이상, 더욱 좋게는 1.15 내지 1.3의 열전성능지수(ZT)를 나타낼 수 있는 장점이 있다. By using a Bi-Sb-Te-based alloy that satisfies the above-described range, there is an advantage in that it is possible to manufacture an alloy having more excellent thermoelectric performance by improving the thermal conductivity of an alloy for a thermoelectric element manufactured. Accordingly, the alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention has an advantage of exhibiting a thermoelectric performance index (ZT) of 1.0 or more, preferably 1.1 or more, and more preferably 1.15 to 1.3 at 400 to 450 K.

본 발명에 의한 열전소자용 합금은 상술한 바와 같이 0.01 내지 0.07 중량%, 좋게는 0.02 내지 0.06 중량%의 구리를 포함한다. 구리를 첨가함으로써, 온도 변화에 따른 제백 계수를 제어하여, 결과적으로 중온에서 높은 성능을 나타내는 열전소자용 합금의 제조가 가능한 장점이 있다. The alloy for a thermoelectric device according to the present invention contains 0.01 to 0.07% by weight, preferably 0.02 to 0.06% by weight of copper as described above. By adding copper, there is an advantage in that it is possible to manufacture an alloy for a thermoelectric element exhibiting high performance at medium temperature by controlling the Seebeck coefficient according to temperature change.

구체적으로, 열전재료의 성능은 은 무차원 성능지수(dimensionless figure of merit)로 통칭되는 "ZT값"으로나타낼 수 있는데, 이는 "ZT = S2σT/k (S는 제벡계수, σ는 전기전도도, T는 절대온도, k는 열전도도이다.)"으로 나타낼수 있으며, 제백계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 낮을수록 우수한 열전성능을 나타낸다. Specifically, the performance of a thermoelectric material can be expressed as a "ZT value" commonly referred to as a dimensionless figure of merit, which is "ZT = S 2 σT/k (S is Seebeck coefficient, σ is electrical conductivity). , T is the absolute temperature, k is the thermal conductivity.)", and the higher the Seebeck coefficient and the electrical conductivity and the lower the thermal conductivity, the better the thermoelectric performance.

구리를 첨가하는 경우, 저온에서는 제백계수가 일부 낮아지는 현상이 나타나며, 이는 홀 농도의 증가에 따른 것으로 보인다. 그러나, 중온 영역으로 온도가 상승함에 따라 구리를 첨가한 합금의 제백계수가 첨가하지 않은 합금의 제백계수보다 높아지는 특징이 있다. 또한, 중온범위인 400 K 이상에서는 구리를 포함하지 않은 합금의 열전도도가 급격히 상승하는 문제가 있으며, 이에 따라 중온에서 열전성능이 감소하나, 구리를 첨가한 경우 열전도도의 급격한 상승을 예방함으로써, 결과적으로 중온 범위에서 우수한 열전성능을 갖는 열전소자용 합금의 제조가 가능한 장점이 있다. When copper is added, the Seebeck coefficient is partially lowered at low temperatures, which seems to be due to an increase in the hole concentration. However, as the temperature rises to the mid-temperature region, the Seebeck coefficient of the alloy to which copper is added is higher than that of the alloy without the addition of copper. In addition, in the medium temperature range of 400 K or higher, there is a problem that the thermal conductivity of an alloy containing no copper increases rapidly, and accordingly, the thermoelectric performance decreases at medium temperature, but when copper is added, the thermal conductivity is prevented from rapidly increasing, As a result, there is an advantage in that it is possible to manufacture an alloy for a thermoelectric device having excellent thermoelectric performance in a medium temperature range.

좋게는, 본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금은 구리를 0.03 내지 0.05 중량% 포함할 수 있으며, 이러한 범위에서 400 내지 450 K를 기준으로 1.2 이상의 높은 열전성능을 나타내는 장점이 있으며, 이는 구리의 함량이 증가함에 따라 열전도도 및 전기전도도가 증가하는 경향의 영향으로 판단된다.Advantageously, the alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention may contain 0.03 to 0.05% by weight of copper, and has an advantage of showing a high thermoelectric performance of 1.2 or more based on 400 to 450 K in this range, which It is judged to be the influence of the tendency that thermal conductivity and electrical conductivity increase as the content of copper increases.

본 발명은 또한 열전소자용 합금 제조방법을 제공한다. 본 발명에 의한 열전소자용 합금 제조방법은 상술한 열전소자용 합금을 제조하기 위한 방법일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. The present invention also provides a method for manufacturing an alloy for a thermoelectric device. The method for manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to the present invention may be a method for manufacturing the alloy for a thermoelectric device described above, but the present invention is not limited thereto.

본 발명에 의한 열전소자용 합금 제조방법은 Bi, Te 및 Sb를 혼합 후 용해하여 용융합금을 제조하고, 이로부터 열전분말을 제조하는 제 1단계;The method for manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to the present invention comprises: a first step of mixing and dissolving Bi, Te, and Sb to prepare a molten alloy, and preparing a thermoelectric powder therefrom;

상기 열전분말 및 구리 분말을 혼합하여 복합분말을 제조하는 제 2단계; A second step of preparing a composite powder by mixing the thermoelectric powder and the copper powder;

상기 복합분말을 통전가압소결로 성형하는 제 3단계;를 포함한다. And a third step of molding the composite powder by energizing pressurization sintering.

본 발명에 의한 열전소자용 합금 제조방법은 Bi, Te 및 Sb를 포함하는 합금소재에 구리를 첨가하고, 이를 혼합하여 중온에서 우수한 열전성능을 나타내는 장점이 있다. 또한, 구리를 합금을 만들어 첨가하는 경우 많은 에너지가 소요되는 문제점이 있으나, 본 발명은 비교적 에너지가 적게 소요되는 밀링 공정을 이용하면서도, 구리의 첨가에 의한 우수한 열전성능지수를 나타낼 수 있는 장점이 있다. The method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to the present invention has the advantage of showing excellent thermoelectric performance at medium temperature by adding copper to an alloy material including Bi, Te, and Sb, and mixing them. In addition, there is a problem that a lot of energy is required when copper is made and added to an alloy, but the present invention has the advantage of showing an excellent thermoelectric performance index by the addition of copper while using a milling process that requires relatively little energy. .

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금 제조방법에서, 상기 제 1단계는 Bi, Te 및 Sb를 가열하여 용융시키고, 용융된 합금용탕에 물을 분사하여 열전 분말을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 분말이 상술한 바와 같이 합금 용탕에 물을 분사하여 열전 분말을 제조함으로써, 균일한 크기의 열전 분말을 제조하며, 이후 성형하는 제 3단계에서 치밀하고 균일한 열전소자용 합금의 제조가 가능한 장점이 있다. Specifically, in the method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the first step is a step of heating and melting Bi, Te, and Sb, and spraying water to the molten alloy to generate a thermoelectric powder. It may include. The thermoelectric powder according to an embodiment of the present invention manufactures thermoelectric powder by spraying water into the molten alloy as described above, thereby producing thermoelectric powder having a uniform size, and then forming a dense and uniform thermoelectric powder in the third step of molding. There is an advantage that it is possible to manufacture an alloy for an element.

상세하게는, 상술한 물을 분사하는 단계는 용융합금을 오리피스를 통하여 챔버로 내리는 동시에 물을 경사지게 분사함으로써, 용융합금이 응고되면서 열전분말이 제조될 수 있다. 이때 생성되는 열전분말의 평균 입경은 3 내지 120 ㎛, 구체적으로는 40 내지 60 ㎛일 수 있으며, 이러한 범위에서 치밀한 구조의 열전소자용 합금 제조가 가능한 장점이 있다. Specifically, in the step of spraying water, the molten alloy is lowered into the chamber through an orifice and water is sprayed obliquely, so that the molten alloy is solidified and a thermoelectric powder can be produced. At this time, the average particle diameter of the resulting thermoelectric powder may be 3 to 120 µm, specifically 40 to 60 µm, and there is an advantage that it is possible to manufacture an alloy for a thermoelectric element having a compact structure in this range.

이때 상기 용융합금은 상기 p형 Bi-Sb-Te계 합금은 상기 식 1을 만족할 수 있다. 상술한 범위를 만족하는 Bi-Sb-Te계 용융합금을 이용함으로써 제조되는 열전소자용 합금의 열전도도를 향상시켜 더욱 열전성능이 우수한 합금의 제조가 가능한 장점이 있다. In this case, the molten alloy may satisfy Equation 1 for the p-type Bi-Sb-Te-based alloy. By using a Bi-Sb-Te-based molten alloy that satisfies the above range, the thermal conductivity of an alloy for a thermoelectric element manufactured is improved, thereby making it possible to manufacture an alloy having more excellent thermoelectric performance.

본 발명에 의한 열전소자용 합금 제조방법은 상기 열전분말 및 구리 분말을 혼합하여 복합분말을 제조하는 제 2단계를 포함한다. 좋게는, 상기 혼합은 볼밀을 이용하여 수행되는 것일 수 있으며, 볼밀과 같이 물리적인 충격을 가하면서 상기 열전분말 및 구리분말을 제조함으로써 열전소자용 합금의 전기전도도 향상을 도모할 수 있으며, 결과적으로 열전성능이 우수한 열전소자용 합금의 제조가 가능한 장점이 있다. The method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to the present invention includes a second step of preparing a composite powder by mixing the thermoelectric powder and the copper powder. Advantageously, the mixing may be performed using a ball mill, and by producing the thermoelectric powder and copper powder while applying a physical impact like a ball mill, it is possible to improve the electrical conductivity of the alloy for thermoelectric elements, and as a result There is an advantage that it is possible to manufacture an alloy for a thermoelectric device having excellent thermoelectric performance.

구체적으로, 상기 볼밀은 아르곤과 같은 비활성 기체 분위기 상에서 수행될 수 있으며, 또한, 상기 볼밀은 200 내지 600 rpm, 좋게는 250 내지 500 rpm의 회전속도에서, 1 내지 10시간, 좋게는 2 내지 8시간, 더욱 좋게는 2.5 내지 7 동안 수행될 수 있으며, 이러한 범위에서 결정립 감소 등에 따른 열전성능 향상 효과를 도모할 수 있다. 구체적으로, 상기 볼밀 시간이 1시간 미만인 경우, 상술한 볼밀에 의한 효과도모가 어려운 문제점이 있으며, 볼밀시간이 10시간을 초과하는 경우 입자 내에 스트레인이 발생하고, 용융점이 낮아지게 되며, 결과적으로 후술하는 소결단계의 수행 중 낮은 온도에서 입자 재결정이 일어나 오히려 전도도 등의 물성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. Specifically, the ball mill may be performed in an inert gas atmosphere such as argon, and the ball mill may be performed at a rotation speed of 200 to 600 rpm, preferably 250 to 500 rpm, for 1 to 10 hours, preferably 2 to 8 hours. , More preferably, it may be performed for 2.5 to 7, and in this range, an effect of improving thermoelectric performance due to grain reduction or the like may be achieved. Specifically, when the ball mill time is less than 1 hour, there is a problem that it is difficult to achieve the effect of the above-described ball mill, and when the ball mill time exceeds 10 hours, strain occurs in the particles and the melting point decreases, as a result of which will be described later. During the performing of the sintering step, recrystallization of grains occurs at a low temperature, which may cause a problem in that physical properties such as conductivity are deteriorated.

본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금 제조방법에서 상기 구리 분말은 용융된 구리를 가스 아토마이제이션으로 처리하여 제조된 것일 수 있다. 이러한 아토마이제이션을 통해 구리 분말을 제조함으로써 결정립이 미세한 구리 분말의 제조가 가능한 장점이 있다. 이때 아토마이제이션은 아르곤과 같은 비활성 기체를 분사하여 진행될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 구리 분말의 평균 입경은 3 내지 200 ㎛, 좋게는 40 내지 50 ㎛일 수 있다.In the method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, the copper powder may be manufactured by treating molten copper with gas atomization. By producing copper powder through such atomization, there is an advantage that it is possible to manufacture copper powder having fine grains. At this time, atomization may be performed by injecting an inert gas such as argon, but the present invention is not limited thereto. The average particle diameter of the copper powder may be 3 to 200 μm, preferably 40 to 50 μm.

본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자용 합금 제조방법은 상기 제 2단계 후 제 3단계 전 상기 복합 분말을 열처리하는 열처리 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 열처리단계를 추가함으로써, 열처리를 거치지 않은 경우 대비 보다 높은 열전성증지수를 나타낼 수 있는 장점이 있다.The method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention may further include a heat treatment step of heat-treating the composite powder after the second step and before the third step. By adding such a heat treatment step, there is an advantage in that the thermoelectricity increase index can be higher than that of the case where the heat treatment is not performed.

구체적으로, 상기 열처리단계는 400 내지 550 ℃, 진공 분위기에서 수행될 수 있으며, 열처리 시간은 열처리 되는 복합분말의 양 등에 따라 달라질 수 있으나 구체적으로는 10 내지 120 분, 더욱 구체적으로는 30분 내지 90분간 수행될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. Specifically, the heat treatment step may be performed in a vacuum atmosphere at 400 to 550 °C, and the heat treatment time may vary depending on the amount of the composite powder to be heat treated, but specifically 10 to 120 minutes, more specifically 30 to 90 minutes. It may be performed for a minute, but the present invention is not limited thereto.

본 발명에 의한 열전소자용 합금 제조방법은 상기 복합분말을 통전가압소결로 성형하는 제 3단계를 포함한다. 통전가압 소결을 이용함으로써 짧은 시간 내에 균일한 열전소자용 합금의 제조가 가능한 장점이 있으며, 이에 따라 신뢰성이 높은 열전소자용 합금의 생산이 가능하다. 구체적으로 상기 제 3단계는 온도가 300 내지 550 ℃이며, 압력이 30 내지 65 MPa인 조건에서 3분 이상, 좋게는 5 내지 30분간 진행될 수 있다.The method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device according to the present invention includes a third step of forming the composite powder by energizing pressurization sintering. By using the energization pressurization sintering, there is an advantage that it is possible to manufacture an alloy for a uniform thermoelectric element within a short time, and accordingly, it is possible to produce an alloy for a thermoelectric element with high reliability. Specifically, the third step may be performed for 3 minutes or more, preferably 5 to 30 minutes, under the condition that the temperature is 300 to 550 °C and the pressure is 30 to 65 MPa.

상술한 과정을 거쳐 열전소자용 합금을 제조함으로써, 중온에서 높은 열전성능을 나타내는 장점이 있으며, 이에 따라 Bi2Te3계 열전소자의 적용범위를 확대할 수 있는 장점이 있다. By manufacturing an alloy for a thermoelectric device through the above-described process, there is an advantage of exhibiting high thermoelectric performance at medium temperature, and accordingly, there is an advantage of expanding the application range of the Bi 2 Te 3 based thermoelectric device.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 아래 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples and comparative examples. The following examples are only intended to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

[제조예 1][Production Example 1]

1.열전분말의 제조1. Manufacture of thermoelectric powder

99.999%(5N)의 Bi, Te, Sb 원소를 각각 측량하여 Carbon 도가니에 장입한 후 고주파 유도로를 이용하여 P-type 75at.%Sb2Te3-25at.%Bi2Te3(2wt.% Te dopping) (이하 열전분말) 조성을 가진 용융합금을 제조하였다. 용융된 합금은 오리피스를 통하여 Chamber로 내리는 동시에 용융합금을 향하여 물을 분사하여 분말을 제조하였으며, 제조된 열전 분말의 평균 입경은 약 50 ㎛로 확인되었다.After measuring 99.999% (5N) of Bi, Te, and Sb elements respectively and charging them into a carbon crucible, P-type 75at.%Sb 2 Te 3 -25at.%Bi 2 Te 3 (2wt.%) using a high-frequency induction furnace. Te dopping) (hereinafter referred to as thermoelectric powder) to prepare a molten alloy having the composition. The molten alloy was lowered to the chamber through an orifice and water was sprayed toward the molten alloy to produce a powder, and the average particle diameter of the prepared thermoelectric powder was confirmed to be about 50 µm.

2. 구리분말의 제조2. Manufacture of copper powder

5N의 구리를 Carbon 도가니에 장입한 후 고주파 유도로를 이용하여 용융하였으며, 용융된 구리를 오리피스로 챔버로 내리는 동시에 아르곤 가스를 분사하여 구리 분말을 제조하였으며, 제조된 구리 분말의 평균 입경은 40 ㎛로 확인되었다.After loading 5N copper into a carbon crucible, it was melted using a high-frequency induction furnace, and the molten copper was lowered to the chamber through an orifice and at the same time, argon gas was sprayed to prepare copper powder. The average particle diameter of the prepared copper powder was 40 µm. Confirmed as.

3. 복합분말의 제조3. Preparation of composite powder

열전 분말 및 구리 말의 복합분말을 제조하기 위해 내경 50ø의 스테인리스 볼 밀링 용기에 내경 0.5ø 지르코니아 볼 400g과 상기 명시된 열전분말과 함께 0.05wt.%Cu분말 40g을 넣고 Ar분위기에서 400rpm으로 1시간 동안 볼밀하여 복합분말을 제조하였다. To prepare a composite powder of thermoelectric powder and copper powder, put 400g of 0.5ø zirconia balls and 40g of 0.05wt.%Cu powder together with the above-specified thermoelectric powder in a stainless steel ball milling vessel with an inner diameter of 50°, and in an Ar atmosphere at 400rpm for 1 hour. A composite powder was prepared by ball milling.

4. 성형 4. Molding

통전가압소결을 통해 소결하여 성형을 수행하였으며, 소결체를 제조하기 위하여 외경 60ø, 내경 20ø, 높이 60mm의 원통형 몰드에 앞서 제조된 분말을 32g 장입 한 후 상부와 하부에 각각 흑연 재질의 punch를 이용하여 장입 분말을 고정시켰다. 소결은 진공분위기(10-3torr)내에서 진행되었으며, 온도는 50℃/min 속도로 승온하여 400℃ 까지 온도를 증가시켰으며, 충분한 소결을 위해 400℃에서 10분간 유지하였다. 또한 소결이 진행되는 공정 동안 상부 및 하부에 고정시킨 punch를 통해 소결체에 50Mpa의 압력을 가해주었다. 최종적으로 직경 20ø, 두께 약 12mm의 원기둥 형태의 열전소자용 합금을 제조하였다. Molding was performed by sintering through pressurization sintering.To manufacture a sintered body, 32g of the powder prepared before was charged into a cylindrical mold with an outer diameter of 60ø, an inner diameter of 20ø, and a height of 60mm, and then using a punch made of graphite material at the top and bottom, respectively. The charged powder was fixed. Sintering was carried out in a vacuum atmosphere (10-3torr), the temperature was raised at a rate of 50°C/min and the temperature was increased to 400°C, and the temperature was maintained at 400°C for 10 minutes for sufficient sintering. In addition, during the sintering process, a pressure of 50 Mpa was applied to the sintered body through a punch fixed at the upper and lower parts. Finally, an alloy for a thermoelectric element in the form of a cylinder having a diameter of 20 ø and a thickness of about 12 mm was manufactured.

[제조예 2 내지 4][Production Examples 2 to 4]

제조예 1과 같은 방법으로 제조하되, 3. 복합분말의 제조공정에서 볼밀을 각각 3시간(제조예 2), 6시간(제조예 3) 및 10시간(제조예 4) 동안 수행하여 소결체를 제조하였다.Manufactured in the same manner as in Preparation Example 1, 3. In the manufacturing process of the composite powder, the ball mill was performed for 3 hours (Production Example 2), 6 hours (Production Example 3) and 10 hours (Production Example 4), respectively, to prepare a sintered body. I did.

[제조예 5][Production Example 5]

제조예 3과 같은 방법으로 제조하되, 4의 성형단계 전 복합분말을 470 ℃에서 1시간동안 진공분위기 (10-3 torr)에서 열처리를 수행하였다. It was prepared in the same manner as in Preparation Example 3, but the composite powder before the molding step of 4 was heat-treated at 470° C. for 1 hour in a vacuum atmosphere (10 -3 torr).

[비교 제조예 1][Comparative Preparation Example 1]

제조예 1과 같은 방법으로 제조하되, 밀링 공정을 생략하고 열전소자용 합금을 제조하였다. It was manufactured in the same manner as in Preparation Example 1, but the milling process was omitted and an alloy for a thermoelectric element was manufactured.

[비교 제조예 2][Comparative Production Example 2]

제조예 1과 같은 방법으로 제조하되, 구리를 첨가하지 않고 열전소자용 합금을 제조하였다. It was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, but an alloy for a thermoelectric element was prepared without adding copper.

1.볼밀링 시간에 따른 열전소자용 합금의 물성평가1. Evaluation of properties of alloys for thermoelectric elements according to ball milling time

제조예 1 내지 4 및 비교제조예 1(도면에는 Raw로 표시됨)에서 제조된 열전소자용 합금의 제백계수, 전기전도도, 출력인자를 측정하고 그 결과를 도 1로 나타내었으며, 열전도도 및 이를 바탕으로 한 열전성능을 측정하고 도 2로 나타내었다. The Seebeck coefficient, electrical conductivity, and output factor of the alloy for thermoelectric elements prepared in Preparation Examples 1 to 4 and Comparative Preparation Example 1 (shown as Raw in the drawing) were measured, and the results are shown in FIG. The thermoelectric performance was measured and shown in FIG. 2.

제벡 계수는 양단의 온도차를 주어 생기는 기전력의 양을 측정하였으며, 전기전도도는 4 point probe법을 사용하여(TEP-1000), 25 ~ 100 ℃의 온도 구간에서 측정하였다. 열전도도는 열전소자용 합금을 직경 12.7 mm, 두께 1 mm 크기의 디스크 형태로 가공한 후 연마하여 측정하였다. 열전도도(κ)는 하기 수학식 1을 이용하여 계산하였으며, 측정된 제백계수, 전기전도도 및 열전도도를 바탕으로 열전성능을 계산하여 도출하였다. The Seebeck coefficient measured the amount of electromotive force generated by giving the temperature difference at both ends, and the electrical conductivity was measured in a temperature range of 25 ~ 100 ℃ using a 4 point probe method (TEP-1000). The thermal conductivity was measured by grinding the alloy for a thermoelectric element into a disk shape having a diameter of 12.7 mm and a thickness of 1 mm. The thermal conductivity (κ) was calculated using Equation 1 below, and the thermoelectric performance was calculated and derived based on the measured Seebeck coefficient, electrical conductivity, and thermal conductivity.

[수학식 1][Equation 1]

κ = λ × Cp × dκ = λ × Cp × d

수학식 1에서, λ는 상기 대면적 Bi-Sb-Te계 소결합금의 열확산도, Cp는 상기 대면적 Bi-Sb-Te계 소결합금의 비열, d는 상기 대면적 Bi-Sb-Te계 소결합금의 밀도를 의미한다.In Equation 1, λ is the thermal diffusivity of the large-area Bi-Sb-Te-based sintered gold, Cp is the specific heat of the large-area Bi-Sb-Te-based sintered gold, and d is the large-area Bi-Sb-Te-based sintering It means the density of the alloy.

출력인자(P.F)는 제백 계수와 전기전도도를 이용하여 아래 수학식 2로 계산되었다. The output factor (P.F) was calculated by Equation 2 below using the Seebeck coefficient and electrical conductivity.

[수학식 2][Equation 2]

P.F = α2 × σPF = α 2 × σ

수학식 2에서, α는 제벡계수, σ는 전기전도도를 의미한다. In Equation 2, α denotes Seebeck coefficient and σ denotes electrical conductivity.

도 1을 참고하면, 비교 제조예 1의 경우 상온에서 가장 높은 제벡계수 값을 나타내나, 온도의 증가에 따라 제백계수가 급격히 감소하는 경향을 나타내는 반면, 제조예 1 내지 4의 경우 온도 증가에 따라 점차적으로 제백계수가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 450K이상에서는 비교제조예 보다 높은 제벡계수를 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, 볼밀 시간을 고려하면 1시간 내지 6시간 동안 볼밀을 수행하여 제조된 경우 가장 높은 제벡계수를 나타냄을 확인할 수 있으며, 이는 상술한 시간동안 볼밀을 수행함으로써 결정립 및 입자크기가 감소함으로써 발생하는 현상으로 보인다. 출력인자 또한 6시간 동안 볼밀한 경우 가장 높은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 전기전도도의 경우 구리를 첨가한 복합분말에서 전기전도도가 큰폭으로 증가한 것을 확인할 수 있으며, 이는 구리 첨가에 의한 정공 농도 상승이 원인으로 판단된다. Referring to FIG. 1, Comparative Preparation Example 1 exhibits the highest Seebeck coefficient value at room temperature, but shows a tendency that the Seebeck coefficient rapidly decreases with an increase in temperature, whereas Preparation Examples 1 to 4 show a tendency to decrease rapidly with an increase in temperature. It can be seen that the Seebeck coefficient is gradually increased, and it can be seen that the Seebeck coefficient is higher than that of the comparative example at 450K or higher. In addition, considering the time of the ball mill, it can be seen that the highest Seebeck coefficient is displayed when the ball mill is performed for 1 to 6 hours, which is a phenomenon that occurs when the grain and particle size decrease by performing the ball mill for the above-described time. Seems to be. It can be seen that the output factor also shows the highest value when ball milling for 6 hours, and in the case of electrical conductivity, it can be seen that the electrical conductivity is significantly increased in the copper-added composite powder, which is due to the increase in hole concentration due to the addition of copper. It is judged to be the cause.

도 2를 참고하면, 비교 제조예의 경우 상온에서 높은 열전도도를 나타내나, 온도의 증가에 따라 열전도도가 급격히 증가하는 경향을 나타내나, 제조예 1 내지 4에서 제조된 열전소자용 합금의 경우 급격한 열전도도의 상승이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로, 볼밀을 3시간 및 6시간 동안 수행한 제조예 2 및 3이 1.0 이상의 열전성능을 나타냄을 확인할 수 있으며, 그중에서도 제조예 3과 같이 6시간 동안 볼밀을 수행하여 제조된 열전소자용 합금이 350 내지 400K 범위에서 가장 우수한 열전성능을 나타냄을 확인할 수 있으며, 구체적으로는 1.0 이상, 더욱 구체적으로는 1.1 이상의 열전성능을 나타낼 수 있다. Referring to FIG. 2, in the case of the comparative manufacturing example, the thermal conductivity is high at room temperature, but the thermal conductivity tends to increase rapidly with the increase of the temperature.However, in the case of the alloy for thermoelectric elements manufactured in Preparation Examples 1 to 4, It can be seen that there is no increase in thermal conductivity. As a result, it can be seen that Preparation Examples 2 and 3, in which the ball mill was performed for 3 hours and 6 hours, exhibited a thermoelectric performance of 1.0 or more, and among them, the alloy for a thermoelectric element manufactured by performing the ball mill for 6 hours as in Preparation Example 3 was It can be seen that the thermoelectric performance is the most excellent in the range of 350 to 400K, and specifically 1.0 or more, more specifically 1.1 or more.

2. 열처리 유무에 따른 열전성능 평가2. Evaluation of thermoelectric performance according to the presence or absence of heat treatment

6시간 동안 밀링을 수행한 제조예 3(6h로 표시함), 6시간동안 밀링공정 후 열처리를 수행한 제조에 5(6h+MW로 표시함) 및 비교제조예 1(Raw로 표시함)의 열전소자용 합금에 대한 물성을 평가하고 그 결과를 도 4로 나타내었다. Preparation Example 3 (represented by 6h) milling for 6 hours, 5 (represented by 6h + MW) and Comparative Preparation Example 1 (represented by Raw) in the production of heat treatment after the milling process for 6 hours. The properties of the alloy for thermoelectric elements were evaluated, and the results are shown in FIG. 4.

도 3을 참고하면, 소결 전 열처리단계를 추가한 제조예 5의 경우 열처리를 수행하지 않은 제조예 3 대비 400 내지 450K의 온도에서 우수한 열전성능지수(ZT)를 나타냄을 확인할 수 있으며, 400K에서 최대 1.29의 열전성능지수(ZT)를 나타냄을 확인하였다. Referring to FIG. 3, it can be seen that Preparation Example 5, in which the heat treatment step before sintering was added, exhibits excellent thermoelectric performance index (ZT) at a temperature of 400 to 450 K compared to Preparation Example 3 without heat treatment. It was confirmed that it had a thermoelectric performance index (ZT) of 1.29.

3. 볼밀링 시간에 따른 입도 분포 분석3. Analysis of particle size distribution according to ball milling time

비교제조예 1(Raw, 도 4의 a) 및 제조예 1 내지 4(도 4에서 각각 b 내지 e)의 분말 형상 및 입도 분석을 수행하고 그 결과를 도 4 로 나타내었다. Powder shape and particle size analysis of Comparative Preparation Example 1 (Raw, Fig. 4a) and Preparation Examples 1 to 4 (each b to e in Fig. 4) was performed, and the results are shown in Fig. 4.

도 4를 참고하면, 볼밀 수행 전 분말의 평균 입경은 51 ㎛이며, 밀링 시간의 증가에 따라 평균 입도는 점차 감소하며, 6시간이 경과한 후에는 21 ㎛ 이하로 작아지지 않는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that the average particle diameter of the powder before performing the ball mill is 51 μm, the average particle size gradually decreases as the milling time increases, and does not decrease to 21 μm or less after 6 hours.

4. Atom probe Tomography 분석4. Atom probe Tomography analysis

제조예 3에서 제조된 소결체에 대해 Atom probe Tomography 분석을 수행하고 그 결과 및 원자 분포에 대한 모식도를 도 5로 나타내었다. Atom probe tomography analysis was performed on the sintered body prepared in Preparation Example 3, and a schematic diagram of the result and atomic distribution is shown in FIG. 5.

원자 분포 분석(상부)를 참고하면, 다른 소재는 비교적 균일하게 분포하고 있는 것에 반해, Cu는 주로 결정립계에 집중되어 있었으며, 이는 도 5의 하부 모식도와 같이 밀링을 통해 합금화된 BiSbTe-Cu 합금은 소결과정에서 열과 압력에 의해 결정립계를 따라 확산이 진행된 것으로 판단된다. Referring to the atomic distribution analysis (top), while other materials were relatively uniformly distributed, Cu was mainly concentrated at the grain boundaries, which was sintered in the BiSbTe-Cu alloy alloyed through milling as shown in the lower schematic diagram of FIG. 5. In the process, it is judged that diffusion proceeded along the grain boundaries due to heat and pressure.

Claims (13)

Bi, Te 및 Sb를 혼합 후 용해하여 용융합금을 제조하고, 이로부터 열전분말을 제조하는 제 1단계;
상기 열전분말 및 구리 분말을 아르곤 분위기 하에서 200 내지 600 rpm으로 2.5 내지 7시간 동안 볼밀로 혼합하여 복합분말을 제조하는 제 2단계;
상기 복합분말을 통전가압소결 방법으로 소결하는 제 3단계;를 포함하며,
상기 열전분말은 하기 식 1을 만족하고,
400 내지 450K에서 열전성능지수(ZT)가 1.15 내지 1.3인 것을 특징으로 하며,
0.01 내지 0.07 중량%의 구리와 99.93 내지 99.99 중량%의 p형 Bi-Sb-Te계 합금을 포함하는 열전소자용 합금 제조방법.
[식 1]
Bi0.5-xSb1.5+xTe3 (-0.1≤X≤0.1)
A first step of mixing and dissolving Bi, Te, and Sb to prepare a molten alloy, and preparing a thermoelectric powder therefrom;
A second step of preparing a composite powder by mixing the thermoelectric powder and the copper powder with a ball mill at 200 to 600 rpm for 2.5 to 7 hours in an argon atmosphere;
Including; a third step of sintering the composite powder by a energization pressurization sintering method,
The thermoelectric powder satisfies the following formula 1,
It is characterized in that the thermoelectric performance index (ZT) is 1.15 to 1.3 at 400 to 450K,
A method for manufacturing an alloy for a thermoelectric device comprising 0.01 to 0.07% by weight of copper and 99.93 to 99.99% by weight of a p-type Bi-Sb-Te-based alloy.
[Equation 1]
Bi 0.5-x Sb 1.5+x Te 3 (-0.1≤X≤0.1)
제 1항에 있어서,
상기 제 1단계는 용융한 Bi, Te 및 Sb에 물을 분사하여 열전 분말을 생성하는 단계를 포함하는 열전소자용 합금 제조방법.
The method of claim 1,
The first step is a method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device comprising the step of generating thermoelectric powder by spraying water on the molten Bi, Te, and Sb.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 구리 분말은 용융된 구리를 가스 비활성 가스를 이용한 아토마이제이션으로 처리하여 제조된 것인 열전소자용 합금 제조방법.
The method of claim 1,
The copper powder is a method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device that is manufactured by treating molten copper by atomization using a gas inert gas.
제 1항에 있어서,
상기 제 2단계 후 제 3단계 전, 상기 복합 분말을 열처리하는 열처리 단계를 더 포함하는 열전소자용 합금 제조방법.
The method of claim 1,
After the second step and before the third step, the method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device further comprising a heat treatment step of heat-treating the composite powder.
제 7항에 있어서,
상기 열처리 단계는 400 내지 550 ℃의 진공 분위기에서 수행되는 열전소자용 합금 제조방법.
The method of claim 7,
The heat treatment step is a method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device performed in a vacuum atmosphere of 400 to 550 ℃.
제 1항에 있어서,
상기 제 3단계는 온도가 300 내지 550 ℃이며, 압력이 30 내지 65 MPa인 조건에서 3분 이상 진행되는 것을 특징으로 하는 열전소자용 합금 제조방법.
The method of claim 1,
The third step is a method of manufacturing an alloy for a thermoelectric device, characterized in that the temperature is 300 to 550 ℃, the pressure is 30 to 65 MPa, characterized in that the process proceeds for more than 3 minutes under the condition.
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