KR102259535B1 - Thermoelectric materials with improved thermal conductivity and thermoelectric merit figure - Google Patents

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KR102259535B1 KR1020200038040A KR20200038040A KR102259535B1 KR 102259535 B1 KR102259535 B1 KR 102259535B1 KR 1020200038040 A KR1020200038040 A KR 1020200038040A KR 20200038040 A KR20200038040 A KR 20200038040A KR 102259535 B1 KR102259535 B1 KR 102259535B1
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김상일
조현준
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서울시립대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a thermoelectric material and a thermoelectric device. In particular, the present invention relates to the thermoelectric material including a compound represented by a chemical formula 1 and the thermoelectric device including the same. The chemical formula 1 is Bi(2-x-y)CuxSbyTe(3-j)Sj. In the chemical formula 1, each of the x, y, and j has the following ranges that 0 < x <= 0.02, 0 < y < 2, 0 < x + y < 2, 0 < j <= 0.5.

Description

열 전도도 및 열전 성능 지수가 개선된 열전 재료 {Thermoelectric materials with improved thermal conductivity and thermoelectric merit figure}Thermoelectric materials with improved thermal conductivity and thermoelectric merit figure

본 발명은 열전 재료 및 이를 포함하는 열전 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a thermoelectric material and a thermoelectric device including the same.

본 발명은 하기 과제의 결과물이다.The present invention is a result of the following tasks.

[과제고유번호] SRFC-MA1701-05[Project identification number] SRFC-MA1701-05

[부처명] 삼성전자(주)[Name of department] Samsung Electronics Co., Ltd.

[연구관리전문기관] 삼성전자 미래기술육성센터[Research and Management Specialized Institution] Samsung Electronics Future Technology Development Center

최근 화석 연료의 사용과 원자력 발전 등으로 인한 문제점들이 발생하고 있으며 이에 따라 열전 재료, 태양광 에너지 등을 포함한 신재생 에너지 분야가 점차 대두되고 있다. 그 중 열전 재료는 오래전부터 폐열, 지열 등과 같은 열 에너지를 전기 에너지로 직접적이며 가역적으로 변환시킬 수 있기 때문에 많은 연구가 진행되어왔다. Recently, problems have arisen due to the use of fossil fuels and nuclear power generation, and accordingly, new and renewable energy fields including thermoelectric materials and solar energy are gradually emerging. Among them, thermoelectric materials have been studied for a long time because they can directly and reversibly convert thermal energy such as waste heat and geothermal heat into electrical energy.

열전 재료(Thermoelectric material)란 열(온도차)에 의해 재료 내부에서 전자 또는 정공이 이동함으로 발생하는 열 에너지와 전기 에너지의 직접적이며 가역적 변환현상인 열전 현상(Thermoelectric effect)을 가지는 재료이다. A thermoelectric material is a material having a thermoelectric effect, which is a direct and reversible conversion phenomenon between thermal energy and electrical energy generated by the movement of electrons or holes in the material by heat (temperature difference).

열전 현상은 재료의 양단에 발생하는 온도 구배로 인해 형성된 열에 의해 캐리어(전자 또는 정공)가 확산하여 전위차를 형성하거나, 역으로 가해진 전기 에너지에 의해 캐리어가 열을 갖고 이동하여 재료의 양 끝단에 온도차를 형성하는 직접적이고 가역적인 반응을 의미한다. 열전 효과를 이용하여 온도차로부터 전기를 생성하거나, 물질의 온도를 측정하고 난방 또는 냉각 등의 온도 조절을 가능하게 한다.The thermoelectric phenomenon is caused by the diffusion of carriers (electrons or holes) by the heat formed due to the temperature gradient occurring at both ends of the material to form a potential difference, or by conversely applied electric energy, the carriers move with heat, resulting in a temperature difference at both ends of the material. A direct and reversible reaction that forms It uses the thermoelectric effect to generate electricity from a temperature difference, or to measure the temperature of a material and to control the temperature, such as heating or cooling.

이러한 열전 현상은 크게 제백 효과(Seebeck effect)와 펠티어 효과(Peltier effect)로 나뉜다. 제백 효과란 2가지 재료(금속 혹은 반도체)가 폐회로가 되도록 접속하고, 재료 양 끝단에 온도차를 줄 때 전위차가 발생하여 전력을 발전되는 현상이다. 이러한 제백 효과의 발생 원인은 재료 양 끝단에 온도차가 주어질 때 상대적으로 온도가 높은 부분에서 캐리어 농도가 증가하기 때문이다. 캐리어 농도의 차이로 인해 전위차가 생기게 되고 이로 인해 전기적 에너지가 생성된다. 이러한 제백 효과는 제백 계수(S)로 표현된다. 펠티어 효과란 2가지 소자를 접속했을 때 두 점 사이에 폐회로를 구성한 뒤 전류를 흘리면 한쪽은 열을 방출하는 방열 현상이 나타나고 다른 한쪽은 열을 흡수하는 흡열 현상이 나타나는 것이다. 이러한 원리는 전류를 흘릴 때 캐리어가 이동하며 전위차를 발생시키기 때문이다.The thermoelectric phenomenon is largely divided into the Seebeck effect and the Peltier effect. The Seebeck effect is a phenomenon in which two materials (metal or semiconductor) are connected to form a closed circuit, and when a temperature difference is applied to both ends of the material, a potential difference is generated to generate electric power. The cause of this Seebeck effect is that the carrier concentration increases at a relatively high temperature portion when a temperature difference is given to both ends of the material. Due to the difference in carrier concentration, a potential difference is generated, thereby generating electrical energy. This Seebeck effect is expressed as a Seebeck coefficient (S). The Peltier effect is that when two elements are connected, a closed circuit is formed between two points, and when current flows, one side emits heat and the other side absorbs heat. This principle is because carriers move and generate a potential difference when current flows.

열전 재료를 응용한 시스템 기술이 가장 발달된 분야는 우주항공 분야이며 주로 우주선의 발전기로 사용되고 있다. 이 외에도 열전 재료는 자동차 분야, 가전제품 분야, 의료 분야 등 전반적인 산업에 적용되고 있다. 최근에는 사람의 체온을 활용하여 에너지를 얻는 데에 열전 재료를 적용한 열전 소자가 개발되었으며, 이러한 열전 소자를 적용한 시스템이 완성되면 웨어러블 소자나 사물인터넷 기기의 전원, 하드웨어 플랫폼 등으로 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 나아가, 열전 재료는 체온이나 맥박 센서 등과 결합된 소자로도 만들어질 수 있다. 이렇듯 열전 재료는 현재 산업의 다양한 분야에 적용되어지고 있으며 앞으로 열전 재료의 성능이 점차 증대될수록 시장의 규모 또한 점차 확대될 것이다. The most developed field of system technology using thermoelectric materials is the aerospace field, which is mainly used as a generator for spacecraft. In addition, thermoelectric materials are being applied to overall industries such as automobiles, home appliances, and medical fields. Recently, a thermoelectric element applied with a thermoelectric material has been developed to obtain energy by utilizing the body temperature of a person. When a system to which such a thermoelectric element is applied is completed, it can be used as a power source for wearable devices or Internet of Things devices, and as a hardware platform. watching. Furthermore, the thermoelectric material may be made of a device coupled with a body temperature or a pulse sensor. As such, thermoelectric materials are currently being applied to various fields of industry, and as the performance of thermoelectric materials gradually increases in the future, the size of the market will also gradually expand.

그러나, 위와 같은 열전 재료의 광범위한 활용에 비해 산업상 이용 가능성이 뛰어날 수 있도록 우수한 성능을 갖는 열전 재료에 대한 연구는 현재까지 미진한 편이다. However, research on thermoelectric materials having excellent performance so that the industrial applicability can be excellent compared to the wide application of the above thermoelectric materials is still insufficient.

본 발명의 목적은 열전 성능이 우수한 열전 재료 및 상기 열전 재료를 포함하는 열전 소자를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a thermoelectric material having excellent thermoelectric performance and a thermoelectric device including the thermoelectric material.

본 발명의 일 양태에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 열전 재료가 제공된다:According to one aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric material including a compound represented by the following Chemical Formula 1:

[화학식 1][Formula 1]

Bi(2-x-y)CuxSbyTe(3-j)Sj Bi (2-xy) Cu x Sb y Te (3-j) S j

상기 화학식 1에서, 상기 x, y, 및 j는 각각 다음의 범위를 갖는다:In Formula 1, x, y, and j each have the following ranges:

0 < x ≤ 0.02, 0 < y < 2, 0 < x + y < 2, 0 < j ≤ 0.5.0 < x ≤ 0.02, 0 < y < 2, 0 < x + y < 2, 0 < j ≤ 0.5.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 열전 재료는 1 < y < 2인 것을 특징으로 한다.According to one embodiment of the present invention, the thermoelectric material is characterized in that 1 < y < 2.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 열전 재료는 0 < j ≤ 0.2인 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the thermoelectric material is characterized in that 0 < j ≤ 0.2.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 열전 재료는 300 K에서 0.6 W/mk 미만의 격자 열 전도도를 가지는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the thermoelectric material is characterized in that it has a lattice thermal conductivity of less than 0.6 W/mk at 300 K.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 열전 재료는 300 K에서 1.5 W/mk 미만의 전체 열 전도도를 가지는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the thermoelectric material is characterized in that it has an overall thermal conductivity of less than 1.5 W/mk at 300 K.

본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 상기 열전 재료를 포함하는 열전 소자가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric device including the thermoelectric material.

본 발명에 따른 열전 재료는 Cu-Bi-Sb-Te계 열전 재료의 Te 자리에 S 를 도핑함으로써, 전기 전도도(σ), 제백 계수(S) 및 열 전도도(κ) 등 열전 성능을 결정하는 인자가 우수하게 나타난다. 추가로, 본 발명에 따른 열전 재료는 기존의 열전 재료에 비하여 높은 전기 전도도와 낮은 열 전도도를 동시에 제공하여, 결과적으로 증대된 열전 성능을 가질 수 있다. 이와 같이 우수한 열전 성능을 나타내는 본 발명의 열전 재료를 사용함으로써 웨어러블 소자나 센서와 같이 열전 재료를 적용한 다양한 제품의 성능이 증대될 수 있다.The thermoelectric material according to the present invention is a factor determining thermoelectric performance such as electrical conductivity (σ), Seebeck coefficient (S), and thermal conductivity (κ) by doping S in the Te site of the Cu-Bi-Sb-Te-based thermoelectric material. appears excellent. Additionally, the thermoelectric material according to the present invention may simultaneously provide high electrical conductivity and low thermal conductivity compared to conventional thermoelectric materials, and consequently may have increased thermoelectric performance. By using the thermoelectric material of the present invention exhibiting such excellent thermoelectric performance, the performance of various products to which the thermoelectric material is applied, such as a wearable device or a sensor, may be improved.

도 1은 본 발명의 실시예에서 제조된 열전 재료의 X선 회절 분석 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 제조된 열전 재료의 격자상수(a축, c축) 그래프이다.
도 3은 절대온도와 S 도핑량에 따른, 본 발명의 실시예에서 제조된 열전 재료의 전기 전도도(σ) 그래프이다.
도 4는 절대온도와 S 도핑량에 따른, 본 발명의 실시예에서 제조된 열전 재료의 제백 계수(S) 그래프이다.
도 5은 절대온도와 S 도핑량에 따른, 본 발명의 실시예에서 제조된 열전 재료의 파워팩터(P.F) 그래프이다.
도 6은 S 도핑량에 따른, 본 발명의 실시예에서 제조된 열전 재료의 300K에서의 상태 밀도 유효 질량(m*) 그래프이다.
도 7은 S 도핑량에 따른, 본 발명의 실시예에서 제조된 열전 재료의 300K에서의 가전자대(VB)와 전도대(CB)의 가중 이동도(Weighted mobility, U) 그래프이다.
도 8는 절대온도와 S 도핑량에 따른, 본 발명의 실시예에서 제조된 열전 재료의 전체 열 전도도(κtot) 그래프이다.
도 9은 절대온도와 S 도핑량에 따른, 본 발명의 실시예에서 제조된 열전 재료의 격자 열 전도도(κlatt) 그래프이다.
도 10은 절대온도와 S 도핑량에 따른, 본 발명의 실시예에서 제조된 열전 재료의 열전 성능 지수(zT) 그래프이다.
1 is an X-ray diffraction analysis graph of a thermoelectric material prepared in an embodiment of the present invention.
2 is a graph of lattice constants (a-axis, c-axis) of a thermoelectric material manufactured in an embodiment of the present invention.
3 is a graph of the electrical conductivity (σ) of the thermoelectric material manufactured in the embodiment of the present invention according to the absolute temperature and the S doping amount.
4 is a graph of the Seebeck coefficient (S) of the thermoelectric material manufactured in the embodiment of the present invention according to the absolute temperature and the S doping amount.
5 is a graph of the power factor (PF) of the thermoelectric material manufactured in the embodiment of the present invention according to the absolute temperature and the S doping amount.
6 is a density-of-state effective mass (m * ) graph at 300K of the thermoelectric material manufactured in the embodiment of the present invention according to the S doping amount.
7 is a weighted mobility (U) graph of the valence band (VB) and conduction band (CB) at 300K of the thermoelectric material manufactured in the embodiment of the present invention according to the S doping amount.
8 is a graph of the total thermal conductivity (κ tot ) of the thermoelectric material manufactured in the embodiment of the present invention according to the absolute temperature and the S doping amount.
9 is a graph of the lattice thermal conductivity (κ latt ) of the thermoelectric material manufactured in the embodiment of the present invention according to the absolute temperature and the S doping amount.
10 is a graph of the thermoelectric performance index (zT) of the thermoelectric material manufactured in the embodiment of the present invention according to the absolute temperature and the S doping amount.

이하, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. Hereinafter, the terms used in the present application are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Unless otherwise defined, all terms used herein including technical or scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 “함유”한다고 할 때, 이는 특별히 달리 정의되지 않는 한, 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes" or "contains" a certain element, it means that other elements may be further included unless otherwise defined.

이하에서는 본 발명의 구현예들에 따른 열전 재료 및 열전 소자에 관하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a thermoelectric material and a thermoelectric element according to embodiments of the present invention will be described in more detail.

1. 열전 재료1. Thermoelectric material

본 발명의 일 양태에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 열전 재료가 제공된다:According to one aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric material including a compound represented by the following Chemical Formula 1:

[화학식 1][Formula 1]

Bi(2-x-y)CuxSbyTe(3-j)Sj Bi (2-xy) Cu x Sb y Te (3-j) S j

상기 화학식 1에서, 상기 x, y, 및 j는 각각 다음의 범위를 갖는다:In Formula 1, x, y, and j each have the following ranges:

0 < x ≤ 0.02, 0 < y < 2, 0 < x + y < 2, 0 < j ≤ 0.5.0 < x ≤ 0.02, 0 < y < 2, 0 < x + y < 2, 0 < j ≤ 0.5.

열전 재료의 에너지 변환 효율, 즉, 열전 반도체의 성능은 하기 수학식 1과 같은 무차원의 열전 성능 지수(zT)로 나타낼 수 있다.The energy conversion efficiency of the thermoelectric material, that is, the performance of the thermoelectric semiconductor, may be expressed as a dimensionless thermoelectric figure of merit (zT) as shown in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020032789689-pat00001
Figure 112020032789689-pat00001

zT는 열전 성능 지수, σ는 전기 전도도(Electrical conductivity, S/cm), S는 제백 계수(Seebeack coefficient, μV/K), κ는 열 전도도(Thermal conductivity, W/mK), T는 절대온도(Absolute temperature, K)를 의미하며 전기 전도도(σ)와 제백 계수(S)의 곱(σS2)은 파워 팩터(P.F)(Power factor, mW/mK2)로 표현한다.zT is the thermoelectric figure of merit, σ is the electrical conductivity (S/cm), S is the Seebeack coefficient (μV/K), κ is the thermal conductivity (W/mK), and T is the absolute temperature ( Absolute temperature, K), and the product (σS 2 ) of electrical conductivity (σ) and Seebeck coefficient (S) is expressed as a power factor (PF) (Power factor, mW/mK 2 ).

열전 재료의 열전 성능 지수(zT)는 상기 수학식 1과 같이 표현되며 이를 높이기 위해선 전기 전도도(σ)와 제백 계수(S)를 증대시켜 파워 팩터(P.F, σS2)를 높이는 방법과, 열 전도도(κ)를 저감시키는 방법이 있다. 그러나, 전기 전도도(σ)와 제백 계수(S)는 캐리어 농도에 따라 trade-off 관계를 가지므로 동시에 증대시키기는 어렵다. 그러므로, 열 전도도(κ), 즉, 전체 열 전도도(κtot)를 감소시켜 열전성능지수(zT)를 증가시켜야 한다.The thermoelectric figure of merit (zT) of the thermoelectric material is expressed as in Equation 1, and in order to increase this, the power factor (PF, σS 2 ) is increased by increasing the electrical conductivity (σ) and the Seebeck coefficient (S), and the thermal conductivity There is a method of reducing (κ). However, since the electrical conductivity (σ) and the Seebeck coefficient (S) have a trade-off relationship depending on the carrier concentration, it is difficult to simultaneously increase them. Therefore, it is necessary to increase the thermoelectric figure of merit (zT) by reducing the thermal conductivity (κ), that is, the total thermal conductivity (κ tot ).

한편, 전체 열 전도도(κtot)의 기여분들은 하기의 식으로 나타낼 수 있다.On the other hand, the contributions of the total thermal conductivity (κ tot ) can be expressed by the following equation.

κtot = κelec + κbp + κlatt κ tot = κ elec + κ bp + κ latt

여기서, κelec는 전자 열 전도도이고, κbp는 양극성 열 전도도이고, κlatt는 격자 열 전도도이며, 상기 전체 열 전도도(κtot)의 기여분들은 서로 상관 관계에 있다. 증대된 열전 성능지수(zT)를 위해서는 전체 열 전도도(κtot)를 감소시킬 필요가 있는데, 만일 전자 열 전도도(κelec)를 감소시키면, 전자와 정공의 이동 또한 제한하게 되어 전기 전도도(σ)가 같이 낮아지고, 그로 인해 파워 팩터(P.F)가 낮아지게 되어 결과적으로 열전 성능지수(zT)를 증가시킬 수 없게 된다. 따라서, 상기 전자 열 전도도(κelec) 대신 격자 열 전도도(κlatt)를 낮추는 것이 열전 성능지수(zT)를 증대시키는데 유리하다. 본 발명에 따른 열전 재료에 S를 도핑함으로써, 기존의 열전 재료에 비하여, 높은 전기 전도도와 낮은 격자 열 전도도에 의한 낮은 열 전도도를 가질 수 있고, 이로 인하여 열전 성능이 증대될 수 있다. where κ elec is the electronic thermal conductivity, κ bp is the bipolar thermal conductivity, κ latt is the lattice thermal conductivity, and the contributions of the total thermal conductivity (κ tot ) are correlated with each other. In order to increase the thermoelectric figure of merit (zT), it is necessary to reduce the total thermal conductivity (κ tot ). If the electron thermal conductivity (κ elec ) is reduced, the movement of electrons and holes is also restricted, so that the electrical conductivity (σ) is lowered as well, and thus the power factor PF is lowered, and as a result, the thermoelectric figure of merit zT cannot be increased. Therefore, it is advantageous to increase the thermoelectric figure of merit (zT) to lower the lattice thermal conductivity (κ latt ) instead of the electron thermal conductivity (κ elec ). By doping S in the thermoelectric material according to the present invention, it can have high electrical conductivity and low thermal conductivity due to low lattice thermal conductivity compared to conventional thermoelectric materials, thereby increasing thermoelectric performance.

본 발명의 상기 화학식 1에서, 상기 x, 즉, Cu 원자의 양은 0 < x ≤ 0.02의 범위를 가질 수 있고, 구체적으로는 0.005 ≤ x ≤ 0.02의 범위일 수 있다. 여기서 Cu는 열전 재료 내에서 크게 두 가지 양상을 보인다. 첫째로, 대부분의 Cu는 Sb와 치환된다. 두 번째로, 소량의 Cu가 5배층(quintuple layer)의 반데르발스 갭에 층간삽입(intercalation)된다. 두 상이한 점 결함의 형성은, 증가된 상태 밀도 유효 질량과 함께 전기전도도와 제백계수의 trade-off 관계에서 최적값을 갖는 범위로 정공 농도를 증대시켜 열전 파워 팩터를 증대시키고, 동시에, 복잡한 결정 구조에 기인한 강화된 포논 산란에 의해 열 전도도를 감소시키고, 양극성 기여를 억제한다. 따라서, 상기 화학식 1에서와 같이 Cu를 도핑함으로써, 열전 성능이 증대될 수 있다.In Chemical Formula 1 of the present invention, the amount of x, that is, Cu atoms may have a range of 0 < x ≤ 0.02, specifically 0.005 ≤ x ≤ 0.02. Here, Cu shows two major aspects in the thermoelectric material. First, most Cu is substituted with Sb. Second, a small amount of Cu is intercalated into the van der Waals gap of the quintuple layer. The formation of two different point defects increases the thermoelectric power factor by increasing the hole concentration to a range having an optimum value in the trade-off relationship of electrical conductivity and Seebeck coefficient, with increased density of states and effective mass, and at the same time, a complex crystal structure Reduce the thermal conductivity by enhanced phonon scattering due to , and suppress the bipolar contribution. Accordingly, by doping Cu as in Formula 1, thermoelectric performance may be increased.

본 발명의 상기 화학식 1에서, 상기 y, 즉, Sb 원자의 양은 0 < y < 2의 범위를 가질 수 있고, 구체적으로는 1 < y < 2의 범위일 수 있다. 또한, Bi 원자의 양은 상기 Sb에 의해 치환된 만큼 감소한다. 따라서, 상기 Bi 원자의 양은 상기 Sb 원자의 양에 따라 0 < 2-y < 2의 범위를 가질 수 있다. In Chemical Formula 1 of the present invention, the amount of y, that is, the Sb atom may have a range of 0 < y < 2, specifically, 1 < y < 2 . Also, the amount of Bi atoms decreases by the amount substituted by the Sb. Accordingly, the amount of Bi atoms may have a range of 0 < 2-y < 2 depending on the amount of Sb atoms.

본 발명의 상기 화학식 1에서, 상기 j, 즉, S 원자의 양은 0 < j ≤ 0.5의 범위를 가질 수 있다. 구체적으로는, 상기 화학식 1에서, 상기 j는 0 < j ≤ 0.2의 범위일 수 있고, 더욱 구체적으로는 0 < j ≤ 0.1의 범위, 더더욱 구체적으로는 0 < j < 0.1의 범위이거나 0 < j ≤ 0.07의 범위일 수 있다. 또한, Te 원자의 양은, 3에서 S 원자의 양을 제외한 만큼일 수 있다 (즉, 화학식 1에서 3-j). 이와 같이, Cu-Bi-Sb-Te계 열전 재료의 Te 자리에 S을 도핑함으로써, 상기 열전 재료는 S가 도핑되지 않은 조성에 비해 증대된 열전 성능지수(zT)를 가질 수 있으며, 이러한 S 도핑의 효과는 하기의 평가예 및 도면에서 확인할 수 있다.In Formula 1 of the present invention, j, that is, the amount of S atoms may have a range of 0 < j ≤ 0.5. Specifically, in Formula 1, j may be in the range of 0 < j ≤ 0.2, more specifically in the range of 0 < j ≤ 0.1, even more specifically in the range of 0 < j < 0.1, or 0 < j ≤ 0.07. Also, the amount of Te atoms may be equal to 3 minus the amount of S atoms (ie, 3-j in Formula 1). As such, by doping S in the Te site of the Cu-Bi-Sb-Te-based thermoelectric material, the thermoelectric material may have an increased thermoelectric figure of merit (zT) compared to the composition in which S is not doped, and this S doping The effect of can be confirmed in the following evaluation examples and drawings.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 열전 재료는 1 < y < 2 및 0 < j ≤ 0.2 인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 상기 화학식 1에서, 상기 j, 즉, S 원자의 양은 0 < j ≤ 0.2의 범위를 가질 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 열전 재료의 열전 성능지수(zT)는 도핑된 S 원자의 양에 따라 달라지며, 특히, 열전 성능지수(zT)를 계산하기 위해 필요한 수학식 내 구성 요소인 전기 전도도(σ), 제백 계수(S) 및 열 전도도(κ)가, S 원자의 도핑에 의해 개선되는 것이 하기의 도 3, 4, 및 8에 도시되어있다. 특히, 격자 열 전도도 (κlatt) 및 전체 열 전도도(κtot)는 도핑된 S 원자의 양이 많을수록 개선되는 것이 하기의 도 8과 도 9에 도시되어 있다.According to one embodiment of the present invention, the thermoelectric material is characterized in that 1 < y < 2 and 0 < j ≤ 0.2. In Chemical Formula 1 of the present invention, j, that is, the amount of S atoms may have a range of 0 < j ≤ 0.2. Specifically, the thermoelectric figure of merit (zT) of the thermoelectric material of the present invention varies depending on the amount of doped S atoms, and in particular, the electrical conductivity (σ), which is a component in the equation required to calculate the thermoelectric figure of merit (zT). ), Seebeck coefficient (S) and thermal conductivity (κ) are improved by doping of S atoms is shown in Figs. 3, 4, and 8 below. In particular, it is shown in FIGS. 8 and 9 that the lattice thermal conductivity (κ latt ) and the total thermal conductivity (κ tot ) are improved as the amount of doped S atoms increases.

2. 열전 소자2. Thermoelectric element

본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 제1 전극, 상기 제1 전극과 적어도 부분적으로 대향하는 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 전술한 바와 같은 열전 재료를 포함하는 열전 소자가 제공된다. 상기 제1 전극은 열전 재료와 열 공급원 사이에 위치할 수 있다. 상기 열전 재료는 p-타입 열전 재료와 n-타입 열전 재료를 포함한다. 본 발명의 열전 재료는 상기 n-타입 열전 재료 또는 p-타입 열전 재료로 사용될 수 있으며, 구체적으로는 p-타입 열전 재료로 사용될 수 있다. 제1 전극은 p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료와 연결되어 있고, p-타입 열전 재료와 n-타입 열전 재료는 서로 이격되어 있다. 열전 소자는 열전 재료가 열 공급원으로부터 열을 전달받을 경우 p-타입 열전 재료에서는 정공이, n-타입 열전 재료에서는 전자가 각각 제2 전극 방향으로 이동하며, 이로 인해 발생한 기전력은 전기 에너지의 형태로 저장될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a first electrode, a second electrode at least partially opposite to the first electrode, and a thermoelectric material as described above interposed between the first electrode and the second electrode. There is provided a thermoelectric element comprising. The first electrode may be positioned between the thermoelectric material and the heat source. The thermoelectric material includes a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material. The thermoelectric material of the present invention may be used as the n-type thermoelectric material or the p-type thermoelectric material, and specifically may be used as the p-type thermoelectric material. The first electrode is connected to the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material, and the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are spaced apart from each other. In the thermoelectric element, when the thermoelectric material receives heat from a heat source, holes in the p-type thermoelectric material and electrons in the n-type thermoelectric material move toward the second electrode, respectively, and the generated electromotive force is in the form of electrical energy. can be saved.

이하, 본 발명의 다양한 실시예들 및 평가예들에 대해 상술한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 일부 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다. Hereinafter, various embodiments and evaluation examples of the present invention will be described in detail. However, the following examples are only some examples of the present invention, and the present invention should not be construed as being limited to the following examples.

3. 실시예3. Examples

본 발명의 열전 재료를 제조하기 위해 하기와 같은 방법을 사용하였다:The following method was used to prepare the thermoelectric material of the present invention:

실시예 1: BiExample 1: Bi 0.490.49 CuCu 0.010.01 SbSb 1.51.5 TeTe 33

고순도의 원재료(Cu, Bi, Sb, Te)를 조성비에 맞춰 계량한 뒤, 전체 무게가 20g이 되도록 Quartz 에 진공-밀봉했다. 밀봉된 샘플을 박스로(muffle furnace)에 1150℃의 온도로 20시간 동안 유지했다. 볼과 재료가 1:5 비율이 되도록 단지(jar)에 넣은 후 Ar 분위기에서 10분간 볼 밀링(SPEX mill - 8000M)을 진행했다.(단지 및 볼은 스테인리스 강이다.) 샘플을 6.8g으로 계량하여 60MPa, 430℃에서 5분간 소결(spark plasma sintering, Dr.sinter SPS-2040)을 진행했다. After weighing high-purity raw materials (Cu, Bi, Sb, Te) according to the composition ratio, it was vacuum-sealed in Quartz so that the total weight was 20 g. The sealed sample was kept in a muffle furnace at a temperature of 1150° C. for 20 hours. After putting the ball and material in a jar so that the ratio was 1:5, ball milling (SPEX mill - 8000M) was performed for 10 minutes in an Ar atmosphere. (The jar and ball are stainless steel.) Weigh the sample to 6.8 g Thus, sintering (spark plasma sintering, Dr.sinter SPS-2040) was performed at 60 MPa and 430 ° C. for 5 minutes.

실시예 2: BiExample 2: Bi 0.490.49 CuCu 0.010.01 SbSb 1.51.5 (Te(Te 2.992.99 SS 0.010.01 ))

Bi0.49Cu0.01Sb1.5(Te2.99S0.01)의 조성이 얻어지도록 고순도의 원재료(Cu, Bi, Sb, Te, S)를 조성비에 맞춰 계량한 뒤, 실시예 1과 동일한 방법으로 합성 및 소결했다.High purity raw materials (Cu, Bi, Sb, Te, S) were weighed according to the composition ratio to obtain a composition of Bi 0.49 Cu 0.01 Sb 1.5 (Te 2.99 S 0.01 ), and then synthesized and sintered in the same manner as in Example 1. .

실시예 3: BiExample 3: Bi 0.490.49 CuCu 0.010.01 SbSb 1.51.5 (Te(Te 2.972.97 SS 0.030.03 ))

Bi0.49Cu0.01Sb1.5(Te2.97S0.03)의 조성이 얻어지도록 고순도의 원재료(Cu, Bi, Sb, Te, S)를 조성비에 맞춰 계량한 뒤, 실시예 1과 동일한 방법으로 합성 및 소결했다.High purity raw materials (Cu, Bi, Sb, Te, S) were weighed according to the composition ratio to obtain a composition of Bi 0.49 Cu 0.01 Sb 1.5 (Te 2.97 S 0.03 ), and then synthesized and sintered in the same manner as in Example 1. .

실시예 4: BiExample 4: Bi 0.490.49 CuCu 0.010.01 SbSb 1.51.5 (Te(Te 2.952.95 SS 0.050.05 ))

Bi0.49Cu0.01Sb1.5(Te2.95S0.05)의 조성이 얻어지도록 고순도의 원재료(Cu, Bi, Sb, Te, S)를 조성비에 맞춰 계량한 뒤, 실시예 1과 동일한 방법으로 합성 및 소결했다.High purity raw materials (Cu, Bi, Sb, Te, S) were weighed according to the composition ratio to obtain a composition of Bi 0.49 Cu 0.01 Sb 1.5 (Te 2.95 S 0.05 ), and then synthesized and sintered in the same manner as in Example 1. .

실시예 5: BiExample 5: Bi 0.490.49 CuCu 0.010.01 SbSb 1.51.5 (Te(Te 2.932.93 SS 0.070.07 ))

Bi0.49Cu0.01Sb1.5(Te2.93S0.07)의 조성이 얻어지도록 고순도의 원재료(Cu, Bi, Sb, Te, S)를 조성비에 맞춰 계량한 뒤, 실시예 1과 동일한 방법으로 합성 및 소결했다.High purity raw materials (Cu, Bi, Sb, Te, S) were weighed according to the composition ratio to obtain a composition of Bi 0.49 Cu 0.01 Sb 1.5 (Te 2.93 S 0.07 ), and then synthesized and sintered in the same manner as in Example 1. .

실시예 6: BiExample 6: Bi 0.490.49 CuCu 0.010.01 SbSb 1.51.5 (Te(Te 2.92.9 SS 0.10.1 ))

Bi0.49Cu0.01Sb1.5(Te2.9S0.1)의 조성이 얻어지도록 고순도의 원재료(Cu, Bi, Sb, Te, S)를 조성비에 맞춰 계량한 뒤, 실시예 1과 동일한 방법으로 합성 및 소결했다.High purity raw materials (Cu, Bi, Sb, Te, S) were weighed according to the composition ratio to obtain a composition of Bi 0.49 Cu 0.01 Sb 1.5 (Te 2.9 S 0.1 ), and then synthesized and sintered in the same manner as in Example 1. .

4. 평가예4. Evaluation example

평가예 1: XRD 패턴Evaluation Example 1: XRD pattern

본 발명의 열전 재료의 구조적 물성을 측정하기 위해, X선 회절 분석, XRD (X-ray diffraction)을 사용했다. X선 회절은 재료에 X선을 노출시킬 때, 재료의 특정 각도와 결정면에서 회절이 발생하는 현상이다. X선 회절 분석은, 이러한 X선의 회절 현상을 이용하여 X선과 재료 간 각도 및 회절된 X선의 세기를 측정하여, 브래그 회절 법칙(Bragg’s diffraction law)을 통해 분석하는 것이다. 이러한 X선 회절 분석을 통해 재료의 결정구조, 격자상수, 상 분석 및 배향성 등을 확인할 수 있다. In order to measure the structural properties of the thermoelectric material of the present invention, X-ray diffraction analysis and XRD (X-ray diffraction) were used. X-ray diffraction is a phenomenon in which when a material is exposed to X-rays, diffraction occurs at a specific angle and crystal plane of the material. X-ray diffraction analysis is to measure an angle between an X-ray and a material and the intensity of a diffracted X-ray by using this diffraction phenomenon of X-rays, and analyze it through Bragg's diffraction law. Through this X-ray diffraction analysis, the crystal structure, lattice constant, phase analysis and orientation of the material can be confirmed.

이를 통해 2차상을 확인했고, 격자상수를 계산하여 구조적 물성을 분석했다. 본 분석 방법에서, 모든 실시예는 이차상 없이 단일상이 관찰되었다. 상기 XRD 측정 결과를 통해 격자상수를 계산했을 때, S 도핑의 증가에 따라 a축과 c축의 격자상수가 모두 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 Te과 S의 이온반경의 차이 때문이다. 결과적으로 S의 도핑으로 인해 격자의 뒤틀림이 일어난 것으로 판단되며, 이를 통해 S이 Te 자리에 성공적으로 치환 도핑 되었음을 증명할 수 있다. 이는 도 1의 XRD 데이터 그래프 및 도 2의 격자상수 값 그래프를 통해 도시된다.Through this, the secondary phase was confirmed and the structural properties were analyzed by calculating the lattice constant. In this analysis method, in all examples, a single phase was observed without a secondary phase. When the lattice constant was calculated through the XRD measurement result, it was observed that both the a-axis and the c-axis lattice constant decreased as the S doping increased. This is due to the difference in ionic radii between Te and S. As a result, it is judged that the distortion of the lattice has occurred due to the doping of S, which can prove that S is successfully substitutionally doped at the Te site. This is shown through the XRD data graph of FIG. 1 and the lattice constant value graph of FIG. 2 .

평가예 2: 전기 전도도(σ)Evaluation Example 2: Electrical Conductivity (σ)

본 발명의 열전 재료의 전기 전도도(σ)를 측정하기 위해, ZEM-3을 사용했다. S의 양에 따른 실시예 1 내지 6에서 제조된 열전 재료의 전기 전도도(σ)를, 절대온도에 따라 도 3에 도시했다. 전기 전도도(σ)는, S의 양에 따른 모든 실시예에서 온도가 낮아질수록 증가했다. 도 3에 따르면, 도핑된 S의 양이 증가함에 따라 0 < x < 0.05의 범위에서는 전기 전도도(σ)는 지속적으로 증가하고, 0.05 ≤ x ≤ 0.1의 범위에서는 전기 전도도(σ)는 점차 감소한다.To measure the electrical conductivity (σ) of the thermoelectric material of the present invention, ZEM-3 was used. The electrical conductivity (σ) of the thermoelectric materials prepared in Examples 1 to 6 according to the amount of S is shown in FIG. 3 according to the absolute temperature. Electrical conductivity (σ) increased with decreasing temperature in all examples depending on the amount of S. According to FIG. 3, as the amount of doped S increases, the electrical conductivity (σ) continuously increases in the range of 0 < x < 0.05, and the electrical conductivity (σ) gradually decreases in the range of 0.05 ≤ x ≤ 0.1. .

평가예 3: 제백 계수(S)Evaluation Example 3: Seebeck coefficient (S)

본 발명의 열전 재료의 제백 계수(S)를 측정하기 위해, ZEM-3을 사용했다. S의 양에 따른 실시예 1 내지 6에서 제조된 열전 재료의 제백 계수(S)를, 절대온도에 따라 도 4에서 도시했다. 도핑된 S의 양이 0 < x ≤ 0.05의 범위에서 제백 계수(S)는 상대적으로 일정한 값을 유지하며 큰 변화를 나타내지 않으며, 특히 저온 영역에서 제백 계수(S)의 값이 일정하다. 도 4에 따르면, 도핑된 S의 양이 0.07 이상일 때, 제백 계수(S)가 점차 증가한다.In order to measure the Seebeck coefficient (S) of the thermoelectric material of the present invention, ZEM-3 was used. The Seebeck coefficient (S) of the thermoelectric materials prepared in Examples 1 to 6 according to the amount of S is shown in FIG. 4 according to the absolute temperature. In the range where the amount of doped S is 0 < x ≤ 0.05, the Seebeck coefficient (S) maintains a relatively constant value and does not show a large change. In particular, the value of the Seebeck coefficient (S) is constant in a low temperature region. According to FIG. 4 , when the amount of doped S is 0.07 or more, the Seebeck coefficient S gradually increases.

평가예 4: 파워팩터(P.F)Evaluation Example 4: Power Factor (P.F)

본 발명의 열전 재료의 파워팩터(P.F)를 측정하기 위해서는, 전기 전도도(σ) 및 제백 계수(S)가 필요하다. 상기의 평가예 2 및 3를 통해 측정한 전기 전도도(σ) 및 제백 계수(S)를 이용하여, 본 발명의 열전 재료의 파워팩터(P.F)를 계산했다. S의 양에 따른 실시예 1 내지 6에서 제조된 열전 재료의 파워팩터(P.F)를, 절대온도에 따라 도 5에 도시했다. 파워팩터(P.F) 값은, S가 도핑됨으로써 증가했다. 도핑된 S의 양의 0.01까지의 증가에 따라, 전기 전도도(σ)의 증대 및 제백 계수(S)의 유지로 인해 파워팩터(P.F)의 값이 증대된다. 도핑된 S의 양이 0.01보다 증가함에 따라 파워팩터(P.F) 값은 감소하지만, 도핑량 0.03까지는 도핑되지 않은 조성보다 높은 파워팩터(P.F) 값을 나타낸다.In order to measure the power factor (P.F) of the thermoelectric material of the present invention, the electrical conductivity (σ) and the Seebeck coefficient (S) are required. The power factor (P.F) of the thermoelectric material of the present invention was calculated using the electrical conductivity (σ) and the Seebeck coefficient (S) measured in the evaluation examples 2 and 3 above. The power factor (P.F) of the thermoelectric materials prepared in Examples 1 to 6 according to the amount of S is shown in FIG. 5 according to the absolute temperature. The power factor (P.F) value increased as S was doped. As the amount of doped S increases to 0.01, the value of the power factor P.F increases due to the increase of the electrical conductivity σ and the maintenance of the Seebeck coefficient S. As the amount of doped S increases more than 0.01, the power factor (P.F) value decreases, but up to the doping amount of 0.03, the power factor (P.F) value is higher than that of the undoped composition.

평가예 5: 상태 밀도 유효 질량 (mEvaluation Example 5: Density of State Effective Mass (m) ** ))

상태 밀도 유효 질량(m*)은 전하 수송 능력에 영향을 미치므로 상태 밀도 유효 질량의 개선은 열전 성능의 개선에 기여하는 경향이 있다. 본 발명의 열전 재료의 상태 밀도 유효 질량(m*)를 계산하기 위해서는, 전기 전도도(σ) 및 제백 계수(S)가 필요하다. 상기의 평가예 2 및 3를 통해 측정한 전기 전도도(σ) 및 제백 계수(S)를 이용하여, Single parabolic band 모델에 적용하여 본 발명의 열전 재료의 상태 밀도 유효 질량(m*)을 계산하였다. S의 양에 따른 실시예 1 내지 6에서 제조된 열전 재료의 300 K에서의 상태 밀도 유효 질량(m*)을 도 6에 도시했다. 상태 밀도 유효 질량(m*) 값은, S가 도핑됨으로써 증가했다. 도핑된 S의 양이 증가함에 따라 0 < x ≤ 0.07의 범위에서는 상태 밀도 유효 질량(m*)은 지속적으로 증가하고, 0.07 < x ≤ 0.1의 범위에서는 상태 밀도 유효 질량(m*)은 점차 감소한다.The density of states effective mass (m * ) affects the charge transport ability, so improvement of the density of states effective mass tends to contribute to the improvement of the thermoelectric performance. In order to calculate the density-of-state effective mass (m * ) of the thermoelectric material of the present invention, the electrical conductivity (σ) and the Seebeck coefficient (S) are required. Using the electrical conductivity (σ) and Seebeck coefficient (S) measured in Evaluation Examples 2 and 3 above, the density of state effective mass (m * ) of the thermoelectric material of the present invention was calculated by applying it to the single parabolic band model. . The density of states effective mass (m * ) at 300 K of the thermoelectric materials prepared in Examples 1 to 6 according to the amount of S is shown in FIG. 6 . The density of states effective mass (m * ) value increased by doping with S. As the amount of doped S increases, the density of states effective mass (m * ) continuously increases in the range of 0 < x ≤ 0.07, and the density of states effective mass (m * ) gradually decreases in the range of 0.07 < x ≤ 0.1. do.

평가예 6: 가중 이동도 (Weighted mobility, U)Evaluation Example 6: Weighted mobility (U)

가중 이동도 (U)는 전하 수송 능력에 영향을 미치므로 가중 이동도의 개선은 열전 성능의 개선에 기여하는 경향이 있다. 본 발명의 열전 재료의 가중 이동도(U)를 계산하기 위해서는, 전기 전도도(σ) 및 제백 계수(S)가 필요하다. 상기의 평가예 2 및 3를 통해 측정한 전기 전도도(σ) 및 제백 계수(S)를 이용하여, Single parabolic band 모델에 적용하여 본 발명의 열전 재료의 가전자대(VB)와 전도대(CB)의 가중 이동도(U)를 계산하였다. S의 양에 따른 실시예 1 내지 6에서 제조된 열전 재료의 300 K에서의 가전자대(VB)와 전도대(CB)의 가중 이동도(U)를 도 7에 도시했다. 가중 이동도(U) 값은, S가 도핑됨으로써 증가했다. 도핑된 S의 양이 증가함에 따라 0 < x < 0.05의 범위에서는 주 전하수송자인 정공의 물성에 관여하는 가전자대(VB)의 가중 이동도(U)는 도핑 전에 비해 증가하고, 0.05 ≤ x ≤ 0.1의 범위에서는 가전자대(VB)의 가중 이동도(U)는 점차 감소한다.Since the weighted mobility (U) affects the charge transport ability, the improvement of the weighted mobility tends to contribute to the improvement of the thermoelectric performance. In order to calculate the weighted mobility (U) of the thermoelectric material of the present invention, the electrical conductivity (σ) and the Seebeck coefficient (S) are required. Using the electrical conductivity (σ) and Seebeck coefficient (S) measured in Evaluation Examples 2 and 3 above, the valence band (VB) and conduction band (CB) of the thermoelectric material of the present invention by applying to the single parabolic band model The weighted mobility (U) was calculated. The weighted mobility (U) of the valence band (VB) and conduction band (CB) at 300 K of the thermoelectric materials prepared in Examples 1 to 6 according to the amount of S is shown in FIG. 7 . The weighted mobility (U) value increased with S doping. As the amount of doped S increases, in the range of 0 < x < 0.05, the weighted mobility (U) of the valence band (VB), which is involved in the physical properties of holes, which is the main charge transporter, increases compared to before doping, and 0.05 ≤ x ≤ In the range of 0.1, the weighted mobility U of the valence band VB gradually decreases.

평가예 7: 열 전도도(κ)Evaluation Example 7: Thermal Conductivity (κ)

열 전도도가 낮을수록 열전 재료의 열전 성능 지수가 개선되는 경향이 있다. 본 발명의 열전 재료의 전체 열 전도도(κtot)를 측정하기 위해서는, 열확산도, 비열 및 밀도가 필요하다. 상기의 열확산도를 측정하기 위해, LFA-465(Netzsch)를 사용했다. 상기의 방법으로 측정된 열확산도, 비열 및 밀도를 이용하여 전체 열 전도도(κtot)를 계산했다. S의 양에 따른 모든 실시예의 전체 열 전도도(κtot)를, 절대온도에 따라 도 8에 도시했다. 도핑된 S의 양이 증가함에 따라, 전체 열 전도도(κtot)가 전체 온도범위에서 점진적으로 감소한다. 이러한 변화의 원인을 살펴보기 위해, 전체 열 전도도(κtot)의 기여분들을 분석했다.A lower thermal conductivity tends to improve the thermoelectric figure of merit of a thermoelectric material. In order to measure the total thermal conductivity (κ tot ) of the thermoelectric material of the present invention, thermal diffusivity, specific heat, and density are required. In order to measure the thermal diffusivity, LFA-465 (Netzsch) was used. The total thermal conductivity (κ tot ) was calculated using the thermal diffusivity, specific heat, and density measured by the above method. The overall thermal conductivity (κ tot ) of all examples as a function of the amount of S is shown in FIG. 8 as a function of the absolute temperature. As the amount of doped S increases, the total thermal conductivity (κ tot ) gradually decreases over the entire temperature range. To examine the causes of these changes, the contributions of the total thermal conductivity (κ tot ) were analyzed.

우선, Single parabolic band 모델에 근거하여 제백계수를 이용한 하기의 수학식 2를 통해 로렌츠 넘버를 계산하여, 전자 열 전도도를 구했다.First, based on the single parabolic band model, the Lorentz number was calculated through Equation 2 below using the Seebeck coefficient to obtain the electron thermal conductivity.

[수학식 2][Equation 2]

L = 1.5 + exp(-|S|/116)L = 1.5 + exp(-|S|/116)

이와 같이 계산된 전자 열 전도도는 S의 도핑량이 0.01일 때까지 증가했다가, 이후 점차 감소했다.The calculated electronic thermal conductivity increased until the doping amount of S was 0.01, and then gradually decreased thereafter.

둘째로, 양극성 열 전도도는 Single parabolic band 모델과 Boltzmann 수송 방정식으로 예측할 수 있다. 이와 같이 예측된 양극성 열 전도도는 S의 도핑량이 0.01일 때까지 다소 감소했으나, 이후 추가적인 변화 없이 일정한 값으로 나타났다. 이는 S이 양극성 전도에는 영향을 거의 미치지 않는다고 해석할 수 있다.Second, the bipolar thermal conductivity can be predicted with the single parabolic band model and the Boltzmann transport equation. The predicted bipolar thermal conductivity decreased slightly until the S doping amount was 0.01, but after that it appeared to be a constant value without further change. This can be interpreted that S has little effect on bipolar conduction.

한편, 격자 열 전도도는 S을 도핑할수록, 점 결함 산란이 증대되어 점차 감소하는 경향을 보여준다. 이는 하기의 도 9을 통해 확인할 수 있다.On the other hand, the lattice thermal conductivity shows a tendency to gradually decrease as the doping of S increases, the point defect scattering increases. This can be confirmed through FIG. 9 below.

평가예 8: 열전성능지수(zT)Evaluation Example 8: Thermoelectric performance index (zT)

본 발명의 열전 재료의 열전 성능지수(zT)를 측정하기 위해서는, 파워팩터(P.F) 및 열 전도도(κ)가 필요하다. 상기의 평가예 4 및 5를 통해 측정한 전기 전도도(σ) 및 제백 계수(S)를 이용하여, 본 발명의 열전 재료의 열전 성능지수(zT)를 계산했다. S의 양에 따른 실시예 1 내지 6에서 제조된 열전 재료의 열전 성능지수(zT)를, 절대온도에 따라 도 10에 도시했다. 도 10에 명시된 것과 같이, S 도핑을 한 열전 재료 조성은 기본 조성에 비해 높은 열전성능지수(zT)를 나타낸다. 도핑된 S의 양이 증가함에 따라 0 ≤ x ≤ 0.03의 범위에서는 주 전하수송자인 정공의 수송 능력에 기여하는 상태 밀도 유효 질량(m*)과 가전자대(VB)의 가중 이동도(U)가 도핑 전에 비해 증가하여 전기적 물성의 개선으로 열전성능지수(zT)가 증가하였고, 0.03 ≤ x ≤ 0.07의 범위에서는 전체 열 전도도(κtot)의 저감 효과로 인해 열적 물성의 개선으로 열전성능지수(zT)가 증가하였다.In order to measure the thermoelectric figure of merit (zT) of the thermoelectric material of the present invention, a power factor (PF) and thermal conductivity (κ) are required. The thermoelectric figure of merit (zT) of the thermoelectric material of the present invention was calculated using the electrical conductivity (σ) and the Seebeck coefficient (S) measured in Evaluation Examples 4 and 5 above. The thermoelectric figure of merit (zT) of the thermoelectric materials prepared in Examples 1 to 6 according to the amount of S is shown in FIG. 10 according to the absolute temperature. As shown in FIG. 10 , the S-doped thermoelectric material composition exhibits a higher thermoelectric figure of merit (zT) compared to the basic composition. As the amount of doped S increases, in the range of 0 ≤ x ≤ 0.03, the density of states effective mass (m * ) and the weighted mobility (U) of the valence band (VB), which contribute to the transport ability of holes, which are the main charge transporters, are Compared to before doping, the thermoelectric figure of merit (zT) increased due to the improvement of electrical properties, and in the range of 0.03 ≤ x ≤ 0.07, the thermoelectric figure of merit (zT) was increased due to the improvement of thermal properties due to the reduction effect of the total thermal conductivity (κ tot ) ) increased.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that you can.

Claims (6)

하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 열전 재료:
[화학식 1]
Bi(2-x-y)CuxSbyTe(3-j)Sj
상기 화학식 1에서, 상기 x, y, 및 j는 각각 다음의 범위를 갖는다:
0 < x ≤ 0.02, 0 < y < 2, 0 < x + y < 2, 0 < j ≤ 0.03.
A thermoelectric material comprising a compound represented by the following formula (1):
[Formula 1]
Bi (2-xy) Cu x Sb y Te (3-j) S j
In Formula 1, x, y, and j each have the following ranges:
0 < x ≤ 0.02, 0 < y < 2, 0 < x + y < 2, 0 < j ≤ 0.03.
제1항에 있어서, 1 < y < 2 인 것을 특징으로 하는 열전 재료.The thermoelectric material according to claim 1 , wherein 1 < y < 2 . 삭제delete 제1항에 있어서, 300 K에서 0.6 W/mk 미만의 격자 열 전도도를 가지는 것을 특징으로 하는 열전 재료.The thermoelectric material of claim 1 having a lattice thermal conductivity of less than 0.6 W/mk at 300 K. 제1항에 있어서, 300 K에서 1.5 W/mk 미만의 전체 열 전도도를 가지는 것을 특징으로 하는 열전 재료.The thermoelectric material of claim 1 having an overall thermal conductivity of less than 1.5 W/mk at 300 K. 제1항에 따른 열전 재료를 포함하는 열전 소자.
A thermoelectric element comprising the thermoelectric material according to claim 1 .
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