KR102268703B1 - Fabrication method of thermoelectric permingeatite materials - Google Patents

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김일호
이고은
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Abstract

According to various embodiments of the present invention, a method for manufacturing a thermoelectric material comprises: a step of preparing Cu, Sb and Se which are raw materials; a step of synthesizing powder by mechanically alloying the prepared raw materials; and a step of hot pressing (HP) and molding the powder.

Description

퍼밍기어타이트 열전재료의 제조 방법{FABRICATION METHOD OF THERMOELECTRIC PERMINGEATITE MATERIALS}Manufacturing method of firming gear tight thermoelectric material {FABRICATION METHOD OF THERMOELECTRIC PERMINGEATITE MATERIALS}

본 발명은 열전재료의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 구리 (Cu), 안티몬 (Sb) 및 셀레늄 (Se) 기반의 퍼밍기어타이트 (permingeatite) 열전재료의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric material, and more particularly, to a method for manufacturing a permingeatite thermoelectric material based on copper (Cu), antimony (Sb) and selenium (Se).

21세기에 들어 지구환경의 보존문제와 에너지 자원의 고갈 문제가 대두되어 대체 에너지 개발이 필요하다. 열전 에너지 변환 기술은 열에너지를 전기에너지로, 또는 전기에너지를 열에너지로 직접적인 변환이 가능하여 대체 에너지 기술로 주목 받고 있다. 열전재료는 자동차 및 산업폐열, 태양열 등의 버려지거나 방치되는 열에너지를 활용하여 전기에너지를 얻을 수 있으며, 또한 소음, 진동, 폐기물 등의 공해를 발생시키지 않는 친환경적 에너지 변환 소재이다.In the 21st century, the conservation of the global environment and the depletion of energy resources have emerged, and alternative energy development is required. Thermoelectric energy conversion technology is attracting attention as an alternative energy technology because it can directly convert thermal energy into electric energy or electric energy into thermal energy. Thermoelectric material is an eco-friendly energy conversion material that can obtain electrical energy by using heat energy that is discarded or left unattended, such as automobile and industrial waste heat and solar heat, and does not generate pollution such as noise, vibration, and waste.

열전변환 기술은 열전냉각 기술과 열전발전 기술로 분류할 수 있다. 열전냉각 기술은 지구온난화를 유발하는 냉매가스를 대체할 수 있고, 압축기가 필요 없어 진동과 소음이 없으며, 정밀한 온도제어가 가능하다는 장점이 있다. 한편 열전발전 기술은 재활용이 어려운 저온의 열에너지와 소규모 분산형의 열에너지까지 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 유일한 발전방식으로서, 수명이 길고 폐열을 전기로 변환시킬 수 있어 온실가스를 저감시킬 수 있는 등의 장점이 있다.Thermoelectric conversion technology can be classified into thermoelectric cooling technology and thermoelectric power generation technology. Thermoelectric cooling technology has the advantages of being able to replace refrigerant gas that causes global warming, and it does not require a compressor, so there is no vibration and noise, and precise temperature control is possible. On the other hand, thermoelectric power generation technology is the only power generation method that can directly convert low-temperature thermal energy that is difficult to recycle and small-scale distributed thermal energy into electrical energy. It has a long lifespan and can reduce greenhouse gases by converting waste heat into electricity. has the advantage of

열전재료의 에너지 변환 효율은 무차원 성능지수(dimensionless figure of merit; ZT)에 의해 평가되며, ZT = α 2 σ T/κ 로 정의된다. 여기서 α, σ, κ, T는 각각 제백계수, 전기 전도도, 열전도도, 절대온도이다. 제백계수는 단위 온도차당 기전력의 변화로 정의되며, 제백계수의 제곱과 전기 전도도의 곱을 출력인자(α 2 σ)라고 한다. 따라서 높은 성능을 갖는 열전재료를 얻기 위해선 높은 출력인자와 낮은 열전도도가 요구된다. 하지만 제백계수와 전기 전도도는 trade-off 관계에 있고, 전기 전도도는 운반자 농도에 의존하며, 전기 전도도가 증가하면 전자 열전도도가 증가하여 총 열전도도가 증가하기 때문에 높은 열전 성능지수를 얻기 위해서는 최적화된 전기적 및 열적 특성이 필요하다. 이를 위하여 캐리어농도 최적화 등을 통한 전기적 특성 향상이나 결정구조의 공극에 충진된 원소들의 진동에 의한 열전도도 감소에 대한 연구가 진행되어 왔다. The energy conversion efficiency of thermoelectric materials is evaluated by a dimensionless figure of merit (ZT) , defined as ZT = α 2 σ T/κ. where α, σ, κ, and T are Seebeck coefficient, electrical conductivity, thermal conductivity, and absolute temperature, respectively. The Seebeck coefficient is defined as the change in electromotive force per unit temperature difference, and the product of the square of the Seebeck coefficient and the electrical conductivity is called the output factor (α 2 σ). Therefore, in order to obtain a thermoelectric material with high performance, a high output factor and low thermal conductivity are required. However, since there is a trade-off relationship between Seebeck coefficient and electrical conductivity, electrical conductivity depends on carrier concentration, and as electrical conductivity increases, electronic thermal conductivity increases and total thermal conductivity increases. Electrical and thermal properties are required. To this end, studies have been conducted on improving electrical properties through optimizing carrier concentration or reducing thermal conductivity due to vibration of elements filled in the pores of the crystal structure.

한편, 최근에는 저렴하고 비독성의 원소로 구성된 재료 탐색에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재까지 좋은 성능을 나타내는 재료로 알려진 Bi2Te3, PbTe 및 스커테루다이트 (skutterudite) 화합물은 독성의 중금속 또는 매장량에 한계가 있는 희소원소로 이루어진 문제점이 있다. 이에 반해, 구리 기반의 칼코게나이드 (Cu-based chalcogenide)화합물은 비독성이고 저렴하여 유망한 재료로 주목받고 있다.On the other hand, recently, interest in the search for materials composed of inexpensive and non-toxic elements is increasing. Bi 2 Te 3 , PbTe, and skutterudite compounds known to have good performance to date have a problem consisting of toxic heavy metals or rare elements with limited reserves. On the other hand, copper-based chalcogenide (Cu-based chalcogenide) compounds are attracting attention as promising materials because they are non-toxic and inexpensive.

Cu3SbSe4(퍼밍기어타이트, permingeatite)는 zinc blende-type tetragonal 격자(I

Figure 112020015362351-pat00001
2m space group)를 갖는 화합물이다. 작은 밴드갭 (0.29 - 0.4 eV) 과 큰 캐리어 유효질량(~1.1 me)의 장점을 갖고 있어, 중온 영역의 p형 열전재료로서 적합하다. 지금까지 대부분의 Cu3SbSe4-based 화합물은 direct melting of elements에 의해 합성되었다. 그러나 이와 같은 방법은 오랜 승온 시간과 균질성을 위한 열처리가 필요하다.Cu 3 SbSe 4 (permingeatite) is a zinc blende-type tetragonal lattice (I
Figure 112020015362351-pat00001
2m space group). It has the advantages of a small bandgap (0.29 - 0.4 eV) and a large effective carrier mass (~1.1 m e ), making it suitable as a p-type thermoelectric material in the mid-temperature region. So far, most Cu 3 SbSe 4 -based compounds have been synthesized by direct melting of elements. However, this method requires a long heating time and heat treatment for homogeneity.

본 발명은 빠른 시간 내에 균질한 Cu3SbSe4 열전재료를 생산할 수 있는 제조 방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a manufacturing method capable of producing a homogeneous Cu 3 SbSe 4 thermoelectric material within a short time.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전재료의 제조방법은, 원료물질인 Cu, Sb 및 Se를 준비하는 단계; 준비된 원료물질을 기계적 합금화하여 분말을 합성하는 단계; 및 상기 분말을 열간 압축 성형(Hot Pressing, HP)하는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a thermoelectric material according to various embodiments of the present invention includes preparing raw materials Cu, Sb and Se; synthesizing the powder by mechanical alloying the prepared raw material; and hot pressing (HP) the powder.

본 발명의 다양한 실시예에서는 기계적 특성 및 열전성능이 향상된 열전재료 및 그 제조방법을 제공할 수 있다. 본 발명의 제조 방법을 통해 기존의 용해방법으로 제조한 Cu3SbSe4 과 동등 또는 그 이상의 열전 특성을 가지는 Cu3SbSe4 를 얻을 수 있으며, 상대적으로 빠른 시간 내에 고상합성으로 균질한 Cu3SbSe4를 제조할 수 있어 효과적인 공정이다.Various embodiments of the present invention may provide a thermoelectric material having improved mechanical properties and thermoelectric performance, and a method for manufacturing the same. Through the manufacturing method of the present invention , it is possible to obtain Cu 3 SbSe 4 having thermoelectric properties equal to or higher than that of Cu 3 SbSe 4 prepared by the conventional dissolution method, and homogeneous Cu 3 SbSe 4 by solid-state synthesis within a relatively short time. It is an effective process to manufacture.

도 1의 (a)는 MA 시 볼 밀링 시간에 따른 Cu3SbSe4 상 분석 결과이다. 도 1의 (b)는 HP 조건에 따른 Cu3SbSe4 상 분석 결과이다.
도 2는 상변화에 대한 확인을 위한 TG-DSC 분석 결과이다.
도 3은 HP 시편의 TG-DSC 분석결과이다.
도 4는 HP 온도에 따른 Cu3SbSe4의 표면 및 파단면에 대한 FESEM 이미지이다.
도 5는 HP573K2H 시편의 EDS line scan 및 원소 매핑 결과이다.
도 6은 HP 온도에 따른 Cu3SbSe4의 전자이동특성을 나타낸다.
도 7은 HP 온도에 따른 전기전도도 결과이다.
도 8은 HP 온도에 따른 Cu3SbSe4의 제벡계수를 나타낸다.
도 9는 전기전도도 및 제벡계수로부터 얻은 출력인자(PF = α 2 σ)를 나타낸다.
도 10은 HP 온도에 따른 Cu3SbSe4의 열전도도를 나타낸다.
도 11은 HP 온도에 따른 무차원 열전성능지수(ZT)를 나타낸다.
Figure 1 (a) is the analysis result of the Cu 3 SbSe 4 phase according to the ball milling time in MA. Figure 1 (b) is a Cu 3 SbSe 4 phase analysis results according to the HP condition.
2 is a TG-DSC analysis result for confirming the phase change.
3 is a TG-DSC analysis result of the HP specimen.
4 is a FESEM image of the surface and fracture surface of Cu 3 SbSe 4 according to the HP temperature.
5 is an EDS line scan and element mapping result of the HP573K2H specimen.
6 shows the electron mobility characteristics of Cu 3 SbSe 4 according to the HP temperature.
7 is a result of electrical conductivity according to the HP temperature.
8 shows the Seebeck coefficient of Cu 3 SbSe 4 according to the HP temperature.
9 shows an output factor (PF = α 2 σ ) obtained from electrical conductivity and Seebeck coefficient.
10 shows the thermal conductivity of Cu 3 SbSe 4 according to the HP temperature.
11 shows the dimensionless thermoelectric figure of merit ( ZT ) according to the HP temperature.

이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings. The examples and terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to specific embodiments, and should be understood to include various modifications, equivalents, and/or substitutions of the embodiments.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 구리 (Cu), 안티몬 (Sb) 및 셀레늄 (Se) 기반의 퍼밍기어타이트 (permingeatite) 열전재료의 제조 방법은, 원료물질인 Cu, Sb 및 Se를 준비하는 단계; 준비된 원료물질을 기계적 합금화하여 분말을 합성하는 단계; 및 상기 분말을 열간 압축 성형(Hot Pressing, HP)하는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a permingeatite thermoelectric material based on copper (Cu), antimony (Sb) and selenium (Se) according to various embodiments of the present invention includes preparing Cu, Sb and Se as raw materials; synthesizing the powder by mechanical alloying the prepared raw material; and hot pressing (HP) the powder.

원료물질을 준비하는 단계에서, 원료물질인 Cu, Sb 및 Se를 조성식 Cu3SbSe4에 맞게 칭량하여 준비할 수 있다. 이때, Cu는 입도가 45 μm 미만인 원소분말을 준비하고, Sb는 75 μm 미만인 원소분말을 준비하고, Se는 75 μm 미만인 원소분말을 준비할 수 있다.In the step of preparing the raw material, Cu, Sb, and Se, which are raw materials, may be weighed and prepared according to the compositional formula Cu 3 SbSe 4 . At this time, Cu may prepare an elemental powder having a particle size of less than 45 μm, Sb may prepare an elemental powder having a particle size of less than 75 μm, and Se may prepare an elemental powder having a particle size of less than 75 μm.

다음으로, 분말을 합성하는 단계에서는 상기 준비된 원료물질을 기계적 합금화할 수 있다. 준비된 혼합 분말과 직경이 5 mm인 steel 볼을 1 : 15 내지 1 : 20의 비율로 혼합하여 볼 밀링할 수 있다. 구체적으로, 250 rpm 내지 450 rpm으로 4 시간 내지 20 시간 동안 볼 밀링할 수 있다. 볼 밀링 속도가 250 rpm보다 작을 경우 Cu3SbSe4 상이 제대로 합성되지 않을 수 있고, 450 rpm 보다 커질 경우 과잉의 에너지에 의해 상분해가 일어나거나 이차상이 형성될 수 있다. 한편, 볼 밀링 시간이 4 시간 보다 짧을 경우 Cu3SbSe4 상이 제대로 합성되지 않을 수 있고, 20 시간 보다 길어질 경우 과잉의 에너지에 의해 상분해가 일어나거나 이차상이 형성될 수 있다. 바람직하게는, 350 rpm으로 6시간 내지 18시간 동안 볼 밀링할 수 있다.Next, in the step of synthesizing the powder, the prepared raw material may be mechanically alloyed. The prepared mixed powder and a steel ball having a diameter of 5 mm can be mixed in a ratio of 1:15 to 1:20 to perform ball milling. Specifically, it may be ball milled at 250 rpm to 450 rpm for 4 to 20 hours. If the ball milling speed is less than 250 rpm, the Cu 3 SbSe 4 phase may not be properly synthesized, and if it is greater than 450 rpm, phase decomposition may occur or a secondary phase may be formed by excessive energy. On the other hand, if the ball milling time is shorter than 4 hours, the Cu 3 SbSe 4 phase may not be properly synthesized, and if it is longer than 20 hours, phase decomposition may occur or a secondary phase may be formed due to excessive energy. Preferably, it can be ball milled at 350 rpm for 6 hours to 18 hours.

다음으로, 열간 압축 성형하는 단계는 473 K 내지 823 K의 온도범위와 상압 내지 100 MPa의 압력범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 이 범위보다 낮은 조건에서는 원하는 소결 결과를 얻을 수 없고, 범위보다 높은 조건에서는 제조비용이 높아질 수 있다. 한편, 바람직하게는, 열간 압축 성형(Hot Pressing, HP)으로 소결하는 경우, 523 K 내지 623 K의 온도범위에서 70 Mpa의 압력으로 소결할 수 있다. 더 바람직하게는 573 K 의 온도 및 70 Mpa의 압력으로 소결할 수 있다.Next, the hot compression molding is preferably performed in a temperature range of 473 K to 823 K and a pressure range of normal pressure to 100 MPa. At a condition lower than this range, a desired sintering result cannot be obtained, and at a condition higher than this range, the manufacturing cost may increase. On the other hand, preferably, in the case of sintering by hot pressing (HP), it may be sintered at a pressure of 70 Mpa in a temperature range of 523 K to 623 K. More preferably, it may be sintered at a temperature of 573 K and a pressure of 70 Mpa.

본 발명의 제조 방법을 통해 기존의 용해방법으로 제조한 Cu3SbSe4 과 동등 또는 그 이상의 열전 특성을 가지는 Cu3SbSe4 를 얻을 수 있으며, 상대적으로 빠른 시간 내에 고상합성으로 균질한 Cu3SbSe4를 제조할 수 있어 효과적인 공정이다.Through the manufacturing method of the present invention , it is possible to obtain Cu 3 SbSe 4 having thermoelectric properties equal to or higher than that of Cu 3 SbSe 4 prepared by the conventional dissolution method, and homogeneous Cu 3 SbSe 4 by solid-state synthesis within a relatively short time. It is an effective process to manufacture.

본 발명의 제조 방법으로 수득한 Cu3SbSe4 를 단독으로 사용할 수 있고, 열전 특성을 보다 향상하기 위해 고용체 형성과 도핑을 수행할 수도 있다. Cu 3 SbSe 4 obtained by the method of the present invention may be used alone, or solid solution formation and doping may be performed to further improve thermoelectric properties.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시예Example

Cu3SbSe4 화합물을 합성하기 위하여, 원소분말 상태의 Cu (purity 99.9%, <45 μm), Sb (purity 99.999%, <75 μm) and Se (purity 99.99%, <75 μm)를 화학양론 조성으로 칭량 후 혼합 분말과 steel 볼 (직경 5 mm)을 1:20의 비율로 hardened steel jar에 장입하였다. Planetary ball mill (Fritsch, Pulverisette5)을 이용하여 350 rpm으로 6 시간, 12 시간, 18 시간 및 24 시간으로 시간을 달리하여 기계적합금화 (이하, 'MA')를 실시하였다. 합성된 분말은 내경 10 mm의 그라파이트 몰드에 장입하여 523 K, 573 K 및 623 K으로 온도를 달리하여 2 시간 동안 70 MPa의 압력으로 진공 열간 압축 성형 (이하, 'HP') 하였다. To synthesize Cu 3 SbSe 4 compound, stoichiometric composition of Cu (purity 99.9%, <45 μm), Sb (purity 99.999%, <75 μm) and Se (purity 99.99%, <75 μm) in elemental powder state After weighing, the mixed powder and steel balls (diameter 5 mm) were charged into a hardened steel jar at a ratio of 1:20. Mechanical alloying (hereinafter, 'MA') was performed using a planetary ball mill (Fritsch, Pulverisette5) at 350 rpm at different times for 6 hours, 12 hours, 18 hours, and 24 hours. The synthesized powder was charged into a graphite mold having an inner diameter of 10 mm, and the temperature was changed to 523 K, 573 K, and 623 K, and vacuum hot compression molding was performed at a pressure of 70 MPa for 2 hours (hereinafter, 'HP').

X-선 회절분석기 (XRD; Bruker, D2-Phaser)로 Cu Kα radiation (

Figure 112020015362351-pat00002
= 0.15405 nm)을 사용하여 MA 분말 및 HP 시편의 상을 분석하였다. MA 분말과 소결 시편의 질량 및 상 변화는 열중량분석 및 시차열분석기를 (TG-DSC; Mettler Toledo TG/DSC1) 이용하여 Ar 분위기에서 973 K까지 5 K/min의 승온속도로 분석하였다. 전계방사형 주사전자현미경 (FESEM; JEOL, JSM-7610F)으로 원료 및 MA 분말과 HP 시편의 미세조직을 관찰하였고, 에너지분산형 분광기 (EDS; Oxford, X-Max50)로 성분원소의 분포 및 조성을 확인하였다. Cu K α by X-ray diffractometer (XRD; Bruker, D2-Phaser) radiation (
Figure 112020015362351-pat00002
= 0.15405 nm) was used to analyze the phases of MA powder and HP specimens. The mass and phase changes of the MA powder and the sintered specimen were analyzed using a thermogravimetric analysis and a differential thermal analyzer (TG-DSC; Mettler Toledo TG/DSC1) in an Ar atmosphere at a temperature increase rate of 5 K/min to 973 K. The microstructure of the raw material, MA powder, and HP specimen was observed with a field emission scanning electron microscope (FESEM; JEOL, JSM-7610F), and the distribution and composition of the component elements were confirmed with an energy dispersive spectrometer (EDS; Oxford, X-Max50). did.

실험예 1: MA 시 볼 밀링 시간에 따른 상 분석Experimental Example 1: Phase analysis according to ball milling time during MA

도 1의 (a)는 MA 시 볼 밀링 시간에 따른 Cu3SbSe4 상 분석 결과이다. 도 1의 (a)를 참고하면, MA350R6H는 350 rpm에서 6 시간 밀링하여 합성한 결과이고, MA350R12H는 350 rpm에서 12 시간 밀링하여 합성한 결과이고, MA350R18H는 350 rpm에서 18 시간 밀링하여 합성한 결과이고, MA350R24H는 350 rpm에서 24 시간 밀링하여 합성한 결과이다.Figure 1 (a) is the analysis result of the Cu 3 SbSe 4 phase according to the ball milling time in MA. Referring to Figure 1 (a), MA350R6H is the result of milling at 350 rpm for 6 hours, MA350R12H is the result of milling at 350 rpm for 12 hours, and MA350R18H is the result of milling at 350 rpm for 18 hours. and MA350R24H is the result of synthesis by milling at 350 rpm for 24 hours.

도 1의 (a)를 참고하면, MA350R6H의 경우 Cu3SbSe4 상이 합성되었고, MA350R12H 및 MA350R18H에서도 이차상이 발견되지 않았다. 즉, 밀링 시간이 18 시간까지는 이차상이 발견되지 않음을 알 수 있다. 그러나 밀링 시간이 더 길어진 MA350R24H의 경우, CuSbSe2 이차상이 형성되었다. MA와 같은 볼 밀링 시스템에서 화학 반응에 주요 원동력이 되는 기계적 충돌 에너지는 구조적 주기성 및 화학 결합의 파괴, 자유 이온/전자 그리고 새로운 표면을 증가시킬 수 있으며, 기계적 에너지가 충분히 높은 경우에 재료의 자유에너지를 감소시키기 위하여 화학반응이 유도될 수도 있다. 따라서 MA350R24H의 경우, 긴 밀링 시간으로 인한 과잉의 에너지에 의해 상분해가 일어난 것으로 보인다.Referring to (a) of FIG. 1 , in the case of MA350R6H, a Cu 3 SbSe 4 phase was synthesized, and a secondary phase was not found in MA350R12H and MA350R18H. That is, it can be seen that the secondary phase was not found until the milling time was 18 hours. However, in the case of MA350R24H with a longer milling time, a CuSbSe 2 secondary phase was formed. Mechanical collision energy, which is the main driving force for chemical reactions in ball milling systems such as MA, can increase structural periodicity and breakage of chemical bonds, free ions/electrons and new surfaces, and when the mechanical energy is high enough, the material's free energy A chemical reaction may be induced to reduce the Therefore, in the case of MA350R24H, it seems that the phase decomposition was caused by excessive energy due to the long milling time.

한편, 도 2는 상변화에 대한 확인을 위한 TG-DSC 분석 결과이다. MA 분말에서 나타나는 650 K 근처의 흡열피크는 포정 반응과 관련된 것으로 보인다. 735 K 부근에서의 흡열피크는 Cu3SbSe4의 녹는점과 일치한다. XRD 및 TG-DSC 결과로부터 안정한 Cu3SbSe4 상을 합성하기 위한 바람직한 MA 시간은 12 시간인 것으로 확인하였고, 이 후 HP 온도에 따른 상분석 및 열전특성을 평가하였다. Meanwhile, FIG. 2 is a TG-DSC analysis result for confirming the phase change. The endothermic peak near 650 K in the MA powder appears to be related to the stagnation reaction. The endothermic peak near 735 K coincides with the melting point of Cu 3 SbSe 4 . Stable Cu 3 SbSe 4 from XRD and TG-DSC results It was confirmed that the preferred MA time for synthesizing the phase was 12 hours, and thereafter, phase analysis and thermoelectric properties according to the HP temperature were evaluated.

실험예 2: HP 온도에 따른 상 분석 및 열전 특성 관찰Experimental Example 2: Phase analysis and thermoelectric characteristics observation according to HP temperature

도 1의 (b)는 HP 조건에 따른 Cu3SbSe4 상 분석 결과이다. 도 1의 (b)를 참고하면, HP523K2H는 523 K에서 열간 압축 성형한 시편이고, HP573K2H는 573 K에서 열간 압축 성형한 시편이고, HP623K2H는 623 K에서 열간 압축 성형한 시편이다. 모든 시편의 회절패턴이 Cu3SbSe4 표준회절자료 (PDF #01-085-0003)와 잘 일치하였고, 이는 소결 후에도 permingeatite 상이 잘 유지됨을 나타내며, 어떠한 이차상도 발견되지 않았다. Figure 1 (b) is a Cu 3 SbSe 4 phase analysis results according to the HP condition. Referring to Figure 1 (b), HP523K2H is a specimen hot compression molded at 523 K, HP573K2H is a specimen hot compression molded at 573 K, and HP623K2H is a specimen hot compression molded at 623 K. The diffraction patterns of all specimens were in good agreement with the Cu 3 SbSe 4 standard diffraction data (PDF #01-085-0003), indicating that the permingeatite phase was well maintained even after sintering, and no secondary phase was found.

한편, 하기 표 1은 각 시편에 따른 화학적 조성 및 물리적 특성을 평가한 결과이다.Meanwhile, Table 1 below shows the results of evaluating the chemical composition and physical properties of each specimen.

시편
(Specimen)
Psalter
(Specimen)
조성 (Composition)Composition 상대 밀도(Relative density)
[%]
Relative density
[%]
격자 상수(Lattice constant)
[nm]
Lattice constant
[nm]
반가폭 (FWHM(112))
[deg]
Half width (FWHM (112) )
[deg]
Lorenz number
at 323 K
[10-8 V2K-2]
Lorenz number
at 323K
[10 -8 V 2 K -2 ]
NominalNominal ActualActual aa cc MA350R12HMA350R12H Cu3SbSe4 Cu 3 SbSe 4 Cu3.31Sb0.97Se3.72 Cu 3.31 Sb 0.97 Se 3.72 -- 0.56510.5651 1.12521.1252 0.3550.355 -- HP523K2HHP523K2H Cu3SbSe4 Cu 3 SbSe 4 Cu3.27Sb0.93Se3.80 Cu 3.27 Sb 0.93 Se 3.80 89.989.9 0.56460.5646 1.12431.1243 0.2340.234 1.621.62 HP573K2HHP573K2H Cu3SbSe4 Cu 3 SbSe 4 Cu3.44Sb0.67Se3.89 Cu 3.44 Sb 0.67 Se 3.89 97.897.8 0.56490.5649 1.12431.1243 0.2030.203 1.571.57 HP623K2HHP623K2H Cu3SbSe4 Cu 3 SbSe 4 Cu3.29Sb0.93Se3.78 Cu 3.29 Sb 0.93 Se 3.78 97.797.7 0.56500.5650 1.12431.1243 0.1710.171 1.541.54

상기 표 1에 나타낸 것처럼, HP 온도와 무관하게 모든 시편은 비슷한 격자상수 (a = 0.5646 - 0.5650 nm 및 c = 1.124 nm)를 가졌다. 또한 (112) 면에 대한 회절피크의 반가폭(FWHM)이 MA350R6H 분말의 0.355°에서 HP 후 0.171 내지 0.234°로 감소하였다. 넓은 회절 피크는 MA 과정 중 기계적 충돌에 의한 분말의 미세화 때문이며, 소결 후 결정립 성장, 결정성 향상으로 회절피크의 폭이 감소한 것으로 보인다. As shown in Table 1 above, regardless of the HP temperature, all specimens had similar lattice constants (a = 0.5646 - 0.5650 nm and c = 1.124 nm). Also, the full width at half maximum (FWHM) of the diffraction peak for the (112) plane decreased from 0.355° of the MA350R6H powder to 0.171 to 0.234° after HP. The broad diffraction peak is due to the refinement of the powder due to mechanical collision during the MA process, and it seems that the width of the diffraction peak decreased due to grain growth and crystallinity improvement after sintering.

도 3은 HP 시편의 TG-DSC 분석결과이다. MA 분말의 TG-DSC 결과와 같이 약 735 K의 흡열피크는 Cu3SbSe4의 녹는점이며, 이 온도 이하까지 특별한 상 변화는 없는 것으로 보아 소결 중 Cu3SbSe4 상이 안정화된 것을 알 수 있다.3 is a TG-DSC analysis result of the HP specimen. An endothermic peak of about 735 K, such as TG-DSC results of MA powders and the melting point of the Cu 3 SbSe 4, particular phase change to a temperature below it can be seen that the bore that the Cu 3 SbSe 4 different stabilization of sintered without.

도 4는 HP 온도에 따른 Cu3SbSe4의 표면 및 파단면에 대한 FESEM 이미지이다. HP523K2H 시편의 경우 치밀하지 않은 조직을 볼 수 있었고, 이는 표 1의 낮은 상대밀도 결과와도 일치한다. 반면 HP5733K2H와 HP623K2H 시편은 상대적으로 크랙이나 기공이 없었고, 이론밀도 (5.86 gcm-3) 대비 97 % 이상의 높은 상대밀도를 얻었다. 4 is a FESEM image of the surface and fracture surface of Cu 3 SbSe 4 according to the HP temperature. In the case of the HP523K2H specimen, a non-dense texture was observed, which is consistent with the low relative density results in Table 1. On the other hand, the HP5733K2H and HP623K2H specimens had relatively no cracks or pores, and obtained a relative density higher than 97% compared to the theoretical density (5.86 gcm -3 ).

도 5는 HP573K2H 시편의 EDS line scan 및 원소 매핑 결과이다. 도 5를 참고하면, 이차상이나 편석 없이 모든 구성원소가 균질하게 분포되어 있음을 알 수 있다.5 is an EDS line scan and element mapping result of the HP573K2H specimen. Referring to FIG. 5 , it can be seen that all constituent elements are homogeneously distributed without secondary phase or segregation.

도 6은 HP 온도에 따른 Cu3SbSe4의 전자이동특성을 나타낸다. 상온에서의 Hall 계수 측정 결과, 약 4.5x1018 - 5.7x1018 cm-3의 캐리어(hole)농도를 갖는 p형 반도체임이 나타났다. Cu3SbSe4에서 형성에너지가 작은 Cu 공공이 쉽게 형성되고 p형 거동에 기여하며, 다른 Cu chalcogenide 화합물에서도 자주 관찰되는 현상이다. 지금까지 다른 연구에서도 도핑하지 않은 Cu3SbSe4 화합물은 캐리어농도가 ~1018 cm-3인 intrinsic 반도체로 보고되었다. HP 온도가 증가할수록 캐리어 이동도가 약간 감소하였으며, 35 - 62 cm2V-1s-1의 값을 보였다. 6 shows the electron mobility characteristics of Cu 3 SbSe 4 according to the HP temperature. As a result of measuring the Hall coefficient at room temperature, it was found that it is a p- type semiconductor having a carrier concentration of about 4.5x10 18 - 5.7x10 18 cm -3 . In Cu 3 SbSe 4 , Cu vacancies with low formation energy are easily formed and contribute to the p- type behavior, a phenomenon frequently observed in other Cu chalcogenide compounds. In other studies so far, the undoped Cu 3 SbSe 4 compound has been reported as an intrinsic semiconductor with a carrier concentration of ~10 18 cm -3 . As the HP temperature increased, the carrier mobility was slightly decreased, and it showed a value of 35 - 62 cm 2 V -1 s -1 .

도 7은 HP 온도에 따른 전기전도도 결과이다. 도 7을 참고하면, HP 온도가 증가할수록 전기전도도가 감소하였고, 이는 도 6에 나타낸 것처럼 이동도 및 캐리어농도의 감소 때문이다. 온도가 증가할수록 증기압이 높은 Se의 휘발로 인한 캐리어농도의 변화가 나타난 것으로 보이며, Se 공공은 n형 도펀트로 작용하여 캐리어농도를 감소시킬 수 있다. 323 K에서 2.55x103 - 5.71x103 Sm-1, 623 K에서 3.66x103 - 4.87x103 Sm-1로 전기전도도의 온도의존성은 크지 않았다.7 is a result of electrical conductivity according to the HP temperature. Referring to FIG. 7 , as the HP temperature increased, the electrical conductivity decreased, which is due to the decrease in mobility and carrier concentration as shown in FIG. 6 . As the temperature increases, it seems that the carrier concentration is changed due to the volatilization of Se with high vapor pressure, and the Se vacancy can act as an n- type dopant to reduce the carrier concentration. At 323 K, it was 2.55x10 3 - 5.71x10 3 Sm -1 , and at 623 K it was 3.66x10 3 - 4.87x10 3 Sm -1, and the temperature dependence of electrical conductivity was not large.

도 8은 HP 온도에 따른 Cu3SbSe4의 제벡계수를 나타낸 것이다. 도 8을 참고하면, 제벡계수는 다수 캐리어가 정공인 p형 전도성을 의미하는 양의 값을 나타내었고, 이는 Hall 계수 부호와도 일치하였다. HP523K2H 시편을 제외하고, 온도가 증가할수록 제벡계수가 증가하다가 감소했으며, 이는 intrinsic excitation 때문이다. 또한 HP 온도가 증가할수록 제벡계수가 증가하였다. Mott equation을 바탕으로 제벡계수 (α)는 α = (8π 2 k B 2 T / 3eh 2 )m * (π/3n) 2/3 (k B: Boltzmann constant, e: electron charge, h: Planck constant, m *: effective carrier mass and n: carrier concentration)와 같이 나타내며, 식에 따라 제벡계수는 유효질량 m * 에 비례하고 캐리어농도에 반비례하는 관계를 가진다. 따라서 HP 온도 증가에 따른 제벡계수의 증가는 전기전도도의 변화와 같은 캐리어농도 차이 때문으로 보인다. 도 8을 참고하면, 323 K에서 242 내지 380 μVK-1로 나타났고, 623 K에서 321 내지 330 μVK-1로 나타나 기존의 연구 결과와 비슷한 결과값을 얻었다. 8 shows the Seebeck coefficient of Cu 3 SbSe 4 according to the HP temperature. Referring to FIG. 8 , the Seebeck coefficient exhibited a positive value indicating p- type conductivity in which the majority carriers are holes, which also coincided with the sign of the Hall coefficient. Except for the HP523K2H specimen, the Seebeck coefficient increased and then decreased as the temperature increased, which is due to intrinsic excitation. Also, as the HP temperature increased, the Seebeck coefficient increased. Based on the Mott equation, the Seebeck coefficient ( α ) is α = (8 π 2 k B 2 T / 3eh 2 )m * (π/3n) 2/3 ( k B : Boltzmann constant, e : electron charge, h : Planck constant, m * : effective carrier mass and n : carrier concentration). According to the formula, the Seebeck coefficient is proportional to the effective mass m * and inversely proportional to the carrier concentration. have a relationship Therefore, it seems that the increase in Seebeck coefficient according to the increase in HP temperature is due to the difference in carrier concentration such as the change in electrical conductivity. Referring to FIG. 8 , at 323 K, it was found to be 242 to 380 μVK −1 , and at 623 K it was shown to be from 321 to 330 μVK −1 , resulting in similar results to those of the previous study.

도 9는 전기전도도 및 제벡계수로부터 얻은 출력인자(PF = α 2 σ)를 나타낸다. HP523K2H 및 HP573K2H 시편에서 약 0.5 mWm-1K-2 @ 573 - 623 K의 최대 출력인자를 보였다. HP623K2H 시편은 전기전도도가 낮고, 고온으로 갈수록 제벡계수가 감소하여 낮은 출력인자를 나타내었다. 9 shows an output factor (PF = α 2 σ ) obtained from electrical conductivity and Seebeck coefficient. The HP523K2H and HP573K2H specimens showed a maximum output factor of about 0.5 mWm -1 K -2 @ 573 - 623 K. The HP623K2H specimen had low electrical conductivity and showed a low output factor as the Seebeck coefficient decreased as the temperature increased.

도 10은 HP 온도에 따른 Cu3SbSe4의 열전도도를 나타낸다. 열전도도 계산을 위한 비열은 0.32 Jg-1K-1의 값을 사용하였다. 열전도도는 또한 격자진동에 의한 열전도도 (κ L )와 전자에 의한 열전도도 (κ E )의 합으로도 나타낼 수 있으며, 전자 열전도도는 Wiedemann-Franz 법칙 (κ E = LσT, L: Lorenz number)에 의해 계산될 수 있다. 이 때 로렌츠상수는 식 L = 1.5 + exp[

Figure 112020015362351-pat00003
] 으로 계산하여, 323 K에서 (1.54 - 1.62)
Figure 112020015362351-pat00004
10-8 V2K- 2을, 623 K에서 1.56
Figure 112020015362351-pat00005
10-8 V2K-2의 값을 얻었으며, 표 1에는 각 시편의 323 K에서의 로렌츠상수를 나타내었다. 모든 시편의 열전도도는 323 K에서 0.97 - 1.3 Wm-1K-1, 623 K에서 0.76 - 0.78 Wm-1K-1의 값을 가졌으며, 전자 열전도도의 기여는 거의 없었다. 이는 용해-소결로 제작한 Cu3SbSe4의 상온 열전도도 값인 2.27 - 3.19 Wm-1K-1 보다도 매우 낮은 값을 보였다. 또한 MA-SPS로 제작한 Cu2.95SbSe4의 격자 열전도도 1.1 Wm-1K-1 @ 673 K 와 rapid-injection route로 합성하고 HP한 나노파티클 Cu3SbSe4의 열전도도 0.91 - 1.15 Wm-1K-1 @ 300 - 570 K의 값과 비슷하거나 낮았다. 이는 MA에 의해 grain size가 작아져 고밀도의 grain boundary가 형성되고, 그로 인한 포논산란 증가가 격자 열전도도 감소에 기여한 것으로 판단된다. Cu3SbSe4의 이론적인 최소 격자 열전도도의 값은 275 - 700 K에서 약 0.47 Wm-1K-1이다. 따라서 고용체 형성 또는 도펀트 첨가를 통해 격자 열전도도를 더 감소시킬 수 있다. 10 shows the thermal conductivity of Cu 3 SbSe 4 according to the HP temperature. For the calculation of thermal conductivity, a value of 0.32 Jg -1 K -1 was used. Thermal conductivity can also be expressed as the sum of thermal conductivity due to lattice vibration (κ L ) and thermal conductivity due to electrons ( κ E ), and electronic thermal conductivity is determined by the Wiedemann-Franz law (κ E = LσT , L : Lorenz number). ) can be calculated by In this case, the Lorentz constant is expressed as L = 1.5 + exp[
Figure 112020015362351-pat00003
] at 323 K (1.54 - 1.62)
Figure 112020015362351-pat00004
10 -8 V 2 K - 2 , at 623 K 1.56
Figure 112020015362351-pat00005
A value of 10 -8 V 2 K -2 was obtained, and Table 1 shows the Lorentz constant at 323 K of each specimen. The thermal conductivity of all specimens was 0.97 - 1.3 Wm -1 K -1 at 323 K and 0.76 - 0.78 Wm -1 K -1 at 623 K, with little contribution to the electronic thermal conductivity. This was much lower than the room temperature thermal conductivity of 2.27 - 3.19 Wm -1 K -1 of Cu 3 SbSe 4 prepared by dissolution-sintering. In addition, the lattice thermal conductivity of Cu 2.95 SbSe 4 prepared by MA-SPS was 1.1 Wm -1 K -1 @ 673 K and the thermal conductivity of Cu 3 SbSe 4 nanoparticles synthesized by rapid-injection route was HP 0.91 - 1.15 Wm -1 It was similar to or lower than the value of K -1 @ 300 - 570 K. It is considered that the grain size is reduced by MA, forming a high-density grain boundary, and the increase in phonon scattering thereby contributed to the decrease in lattice thermal conductivity. The theoretical minimum lattice thermal conductivity of Cu 3 SbSe 4 is about 0.47 Wm -1 K -1 at 275 - 700 K. Therefore, the lattice thermal conductivity can be further reduced through solid solution formation or dopant addition.

도 11은 HP 온도에 따른 무차원 열전성능지수(ZT)를 나타낸 것이다. 온도가 증가할수록 ZT가 증가하여, 623 K에서 0.39의 최대 ZT를 나타내었다. HP523K2H 시편의 경우 573 K에서 ZT = 0.41을 나타내었지만, 소결밀도가 낮은 조건이기 때문에 응용에 문제가 있을 수 있다. 11 shows the dimensionless thermoelectric figure of merit ( ZT ) according to the HP temperature. As the temperature increased, ZT increased, showing a maximum ZT of 0.39 at 623 K. In the case of the HP523K2H specimen, ZT = 0.41 at 573 K, but there may be problems in the application because of the low sintering density condition.

이상의 실험예들을 통해 본 발명의 실시예는 기계적합금화 방법으로도 기존의 용해방법과 견줄만한 결과를 얻을 수 있으며, 상대적으로 빠른 시간 내에 고상합성으로 균질한 Cu3SbSe4를 제작할 수 있는 효과적인 공정임을 확인하였다. 또한 본 실시예 및 실험예를 통해 소결밀도와 열전특성을 고려하여 최적의 소결 온도는 573 K로 판단하였다. Through the above experimental examples, the embodiment of the present invention can obtain results comparable to the conventional melting method even with the mechanical alloying method, and it is an effective process for producing homogeneous Cu 3 SbSe 4 by solid-state synthesis within a relatively short time. Confirmed. In addition, the optimum sintering temperature was determined to be 573 K in consideration of the sintering density and thermoelectric characteristics through this Example and Experimental Examples.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. Features, structures, effects, etc. described in the above-described embodiments are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to one embodiment. Furthermore, features, structures, effects, etc. illustrated in each embodiment can be combined or modified for other embodiments by those of ordinary skill in the art to which the embodiments belong. Accordingly, the contents related to such combinations and modifications should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. In addition, although the embodiments have been mainly described above, these are merely examples and do not limit the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains are exemplified above in a range that does not depart from the essential characteristics of the present embodiment. It can be seen that various modifications and applications that have not been made are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments may be implemented by modification. And the differences related to these modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention defined in the appended claims.

Claims (4)

원료물질인 Cu, Sb 및 Se를 준비하는 단계;
준비된 원료물질을 기계적 합금화하여 Cu3SbSe4 분말을 합성하는 단계; 및
상기 분말을 열간 압축 성형(Hot Pressing, HP)하여 Cu3SbSe4 소결 시편을 제조하는 단계를 포함하는 Cu3SbSe4 열전재료의 제조방법.
Preparing raw materials Cu, Sb and Se;
synthesizing Cu 3 SbSe 4 powder by mechanically alloying the prepared raw material; and
Method for producing a Cu 3 SbSe 4 thermoelectric material comprising the step of preparing a Cu 3 SbSe 4 sintered specimen by hot pressing the powder (Hot Pressing, HP).
제1항에 있어서,
상기 원료물질을 조성식 Cu3SbSe4에 맞게 칭량하여 준비하는 것을 특징으로 하는 Cu3SbSe4 열전재료의 제조방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing a Cu 3 SbSe 4 thermoelectric material, characterized in that the raw material is prepared by weighing it according to the compositional formula Cu 3 SbSe 4 .
제1항에 있어서,
상기 분말을 합성하는 단계에서는 상기 준비된 원료물질을 250 rpm 내지 450 rpm으로 4 시간 내지 20 시간 동안 볼 밀링하는 것을 특징으로 하는 Cu3SbSe4 열전재료의 제조 방법.
According to claim 1,
The method of the steps of synthesizing the powder Cu 3 SbSe 4 thermoelectric material to the prepared raw material characterized in that the ball milled for 4 hours to 20 hours at 250 rpm to 450 rpm.
제1항에 있어서,
상기 열간 압축 성형하는 단계는 473 K 내지 823 K의 온도범위와 상압 내지 100 MPa 의 압력범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 Cu3SbSe4 열전재료의 제조방법.
According to claim 1,
The hot compression molding is a method of manufacturing a Cu 3 SbSe 4 thermoelectric material, characterized in that it is performed in a temperature range of 473 K to 823 K and a pressure range of normal pressure to 100 MPa.
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