KR102290764B1 - Tetrahedrite-based thermoelectric materials and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물을 포함하는 열전재료에 관한 것이다. 이에 의하여, 본 발명의 테트라헤드라이트계 열전재료는 Zn 치환으로 캐리어 농도 감소를 통해 전자 열전도도 감소시키고, 출력인자를 최적화하며, Sb와 등가인 Bi 치환으로 추가적인 포논 산란에 의한 격자 열전도도 감소를 통해 열전성능지수(ZT)를 향상시킬 수 있다.
[화학식 1]
Cu12-xZnxSb4-yBiyS13
화학식 1에서,
0.1 ≤ x ≤ 0.4, 0.1 ≤ y ≤ 0.4 이다.
The present invention relates to a thermoelectric material including a tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi represented by the following formula (1). Accordingly, the tetrahedrite-based thermoelectric material of the present invention reduces electron thermal conductivity by reducing carrier concentration by Zn substitution, optimizes the output factor, and reduces lattice thermal conductivity by additional phonon scattering by replacing Bi equivalent to Sb. Through this, it is possible to improve the thermoelectric figure of merit (ZT).
[Formula 1]
Cu 12-x Zn x Sb 4-y Bi y S 13
In Formula 1,
0.1 ≤ x ≤ 0.4, and 0.1 ≤ y ≤ 0.4.

Description

테트라헤드라이트계 열전재료 및 그의 제조방법{Tetrahedrite-based thermoelectric materials and method for preparing the same}Tetrahedrite-based thermoelectric materials and method for preparing the same

본 발명은 테트라헤드라이트계 열전재료 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Zn 및 Bi가 이중도핑된 테트라헤드라이트계 열전재료 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tetrahedrite-based thermoelectric material and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a tetrahedrite-based thermoelectric material doped with Zn and Bi and a method for manufacturing the same.

열에너지와 전기에너지의 직접적인 변환이 가능한 열전변환기술이 유망한 친환경 에너지 시스템으로 부상하고 있다. 열전재료는 최대의 성능을 나타내는 온도 영역이 다르며, 상온 영역에서는 Bi-Te계, 중온 영역은 Pb-Te계, 스커트루다이트(skutterudite)계, 고온 영역에서는 Si-Ge계 재료가 우수한 것으로 알려져 있다. 그러나 대부분 독성의 중금속이나 매장량에 한계가 있는 희소원소로 이루어진 문제점이 있다. 이에 매장량이 풍부하고 값이 저렴하며, 상대적으로 가볍고 무독성인 Cu와 S로 이루어진 테트라헤드라이트(tetrahedrite) 화합물이 중온 영역의 유망한 p형 열전재료로 관심 받고 있다. 테트라헤드라이트가 주목 받는 주된 이유는 본래 낮은 열전도도를 나타내며, 대칭적 결정구조로 인한 높은 에너지 밴드 축퇴를 가져 출력인자 향상에 유용하기 때문이다.Thermoelectric conversion technology capable of direct conversion of thermal energy and electric energy is emerging as a promising eco-friendly energy system. Thermoelectric materials have different temperature ranges that show maximum performance, and it is known that Bi-Te-based materials are superior in normal temperature range, Pb-Te-based, skutterudite-based materials in medium temperature range, and Si-Ge-based materials in high temperature range. . However, there is a problem that most of them consist of toxic heavy metals or rare elements with limited reserves. Accordingly, a tetrahedrite compound composed of Cu and S, which has abundant reserves, is inexpensive, and is relatively light and non-toxic, is attracting attention as a promising p-type thermoelectric material in the mesophilic region. The main reason why tetrahedrite is attracting attention is because it shows low thermal conductivity and has high energy band degeneracy due to its symmetrical crystal structure, so it is useful for improving the output factor.

열전성능지수 관계식, ZT = α2σκ-1T (α: 제벡계수, σ: 전기전도도, κ: 열전도도, T: 절대온도)에 따라 높은 ZT를 얻으려면 높은 출력인자(α2σ)와 낮은 열전도도가 필요하다. 그러나 제벡계수와 전기전도도는 캐리어 농도에 의존하는 trade-off 관계를 가지기 때문에, 일반적으로 도핑에 의한 캐리어 농도 최적화로 출력인자를 향상시킨다. 도핑하지 않은 테트라헤드라이트는 페르미 준위가 가전자대 내에 위치하여 높은 홀 농도를 가지는 것으로 알려져 있다. 따라서 2가 또는 3가의 전이금속을 Cu+ 자리에 치환하여 홀 농도 감소에 의한 전자 열전도도 억제 및 출력인자 최적화에 대한 연구결과가 많이 진행되었다. Heo 등은 높은 출력인자와 낮은 열전도도의 조화로 Mn이 치환된 Cu11MnSb4S13에서 ZT = 1.13 @ 575 K을 얻었고, Lu 등은 Cu11ZnSb4S13에서 ZT = 1 @ 720 K의 값을 발표한 바 있다. To obtain a high ZT according to the thermoelectric figure of merit relation, ZT = α 2 σκ -1 T (α: Seebeck coefficient, σ: electrical conductivity, κ: thermal conductivity, T: absolute temperature), a high output factor (α 2 σ) and Low thermal conductivity is required. However, since the Seebeck coefficient and the electrical conductivity have a trade-off relationship depending on the carrier concentration, the output factor is generally improved by optimizing the carrier concentration by doping. It is known that undoped tetrahedrite has a high hole concentration because the Fermi level is located in the valence band. Therefore, many studies have been conducted on the suppression of electron thermal conductivity and optimization of output factors by reducing the hole concentration by substituting a divalent or trivalent transition metal for Cu + sites. Heo et al. obtained ZT = 1.13 @ 575 K from Cu 11 MnSb 4 S 13 substituted with Mn with a combination of high output factor and low thermal conductivity, and Lu et al. obtained ZT = 1 @ 720 K in Cu 11 ZnSb 4 S 13 . values have been announced.

한국공개특허 제10-2015-0044883호Korean Patent Publication No. 10-2015-0044883 한국공개특허 제10-2017-0102300호Korean Patent Publication No. 10-2017-0102300

본 발명의 목적은 Zn 치환으로 캐리어 농도 감소를 통해 전자 열전도도 감소시키고, 출력인자를 최적화하며, Sb와 등가인 Bi 치환으로 추가적인 포논 산란에 의한 격자 열전도도 감소를 통해 열전성능지수(ZT)가 향상된 테트라헤드라이트계 열전재료 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to reduce electron thermal conductivity through carrier concentration reduction by Zn substitution, optimize the output factor, and reduce lattice thermal conductivity by additional phonon scattering with Bi substitution equivalent to Sb. An object of the present invention is to provide an improved tetrahedrite-based thermoelectric material and a method for manufacturing the same.

본 발명의 하나의 측면에 따르면,According to one aspect of the invention,

하기 화학식 1로 표시되는 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물을 포함하는 열전재료가 제공된다.A thermoelectric material including a tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi represented by the following Chemical Formula 1 is provided.

[화학식 1][Formula 1]

Cu12 - xZnxSb4 - yBiyS13 Cu 12 - x Zn x Sb 4 - y Bi y S 13

화학식 1에서,In Formula 1,

0.1 ≤ x ≤ 0.4, 0.1 ≤ y ≤ 0.4 이다.0.1 ≤ x ≤ 0.4, and 0.1 ≤ y ≤ 0.4.

바람직하게는, 상기 화학식 1에서,Preferably, in Formula 1,

x = 0.1이고, 0.1 ≤ y ≤ 0.2 일 수 있다.x = 0.1, and may be 0.1 ≤ y ≤ 0.2.

상기 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물은 격자상수가 1.0339 내지 1.0373 nm 범위일 수 있다.The tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi may have a lattice constant in the range of 1.0339 to 1.0373 nm.

상기 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물은 홀계수(Hall coefficient)가 5.56 내지 44.01 cm3C-1 범위일 수 있다.The tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi may have a Hall coefficient in the range of 5.56 to 44.01 cm 3 C −1 .

상기 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물은 전하이동도(Mobility)가 606 내지 1094 cm2V-1s-1 범위일 수 있다.The tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi may have a charge mobility in the range of 606 to 1094 cm 2 V −1 s −1 .

상기 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물은 캐리어 농도(Carrier concentration)가 1.42 × 1017 내지 1.30 × 1018 범위일 수 있다.The tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi may have a carrier concentration in the range of 1.42 × 10 17 to 1.30 × 10 18 .

상기 열전재료는 P형 열전재료일 수 있다.The thermoelectric material may be a P-type thermoelectric material.

본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

(a) 분말 상태의 구리(Cu), 아연(Zn), 안티모니(Sb) 및 황(S)을 화학양론 조성으로 칭량하여 혼합한 혼합분말을 제조하는 단계;(a) preparing a mixed powder obtained by weighing and mixing copper (Cu), zinc (Zn), antimony (Sb) and sulfur (S) in a stoichiometric composition;

(b) 상기 혼합분말을 기계적 합금화(mechanical alloying)하여 테트라헤드라이트계 분말을 제조하는 단계; 및(b) preparing a tetrahedrite-based powder by mechanically alloying the mixed powder; and

(c) 상기 테트라헤드라이트계 분말을 진공 열간압축성형을 수행하여 소결체를 형성하는 단계;를 포함하는 하기 화학식 1로 표시되는 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물을 포함하는 열전재료의 제조방법이 제공된다.(c) performing vacuum hot compression molding of the tetrahedrite-based powder to form a sintered compact; A manufacturing method is provided.

[화학식 1][Formula 1]

Cu12 - xZnxSb4 - yBiyS13 Cu 12 - x Zn x Sb 4 - y Bi y S 13

화학식 1에서,In Formula 1,

0.1 ≤ x ≤ 0.4, 0.1 ≤ y ≤ 0.4 이다.0.1 ≤ x ≤ 0.4, and 0.1 ≤ y ≤ 0.4.

단계 (b)에서, 상기 기계적 합금화는 상기 혼합분말과 볼 1:10 내지 1:30의 비율로 볼밀링하여 수행될 수 있다.In step (b), the mechanical alloying may be performed by ball milling in a ratio of 1:10 to 1:30 with the mixed powder.

단계 (b)에서, 상기 볼밀링은 300 내지 400rpm으로 20 내지 30시간 동안 수행될 수 있다.In step (b), the ball milling may be performed at 300 to 400 rpm for 20 to 30 hours.

단계 (c)에서, 상기 진공 열간압축성형은 700 내지 750 K의 온도에서 수행될 수 있다.In step (c), the vacuum hot compression molding may be performed at a temperature of 700 to 750 K.

단계 (c)에서, 상기 진공 열간압축성형은 65 내지 75MPa의 압력으로 수행될 수 있다.In step (c), the vacuum hot compression molding may be performed at a pressure of 65 to 75 MPa.

본 발명의 테트라헤드라이트계 열전재료는 Zn 치환으로 캐리어 농도 감소를 통해 전자 열전도도 감소시키고, 출력인자를 최적화하며, Sb와 등가인 Bi 치환으로 추가적인 포논 산란에 의한 격자 열전도도 감소를 통해 열전성능지수(ZT)를 향상시킬 수 있다.The tetrahedrite-based thermoelectric material of the present invention reduces electron thermal conductivity by reducing carrier concentration by Zn substitution, optimizing the output factor, and thermoelectric performance by reducing lattice thermal conductivity by additional phonon scattering by replacing Bi equivalent to Sb. Index (ZT) can be improved.

도 1은 실험예 1의 X선 회절 분석 결과이다.
도 2는 실험예 2에서 실시예 1 내지 5의 열전재료의 전자현미경 사진이다.
도 3은 실험예 2에서 실시예 1 내지 5의 열전재료의 원소 매핑 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 실험예 3의 전기전도도 변화 분석 결과이다.
도 5는 실험예 4의 제벡계수(seebeck coefficient, α) 변화 분석 결과이다.
도 6은 실험예 5의 출력인자 분석 결과이다.
도 7은 실험예 6의 열전도도 변화 분석 결과이다.
도 8은 실험예 7의 열전성능지수(ZT) 분석 결과이다.
1 is an X-ray diffraction analysis result of Experimental Example 1.
2 is an electron micrograph of the thermoelectric materials of Examples 1 to 5 in Experimental Example 2.
3 shows the element mapping results of the thermoelectric materials of Examples 1 to 5 in Experimental Example 2;
4 is an analysis result of the change in electrical conductivity of Experimental Example 3.
5 is an analysis result of a change in the Seebeck coefficient (α) of Experimental Example 4.
6 is an output factor analysis result of Experimental Example 5;
7 is a thermal conductivity change analysis result of Experimental Example 6.
8 is a thermoelectric figure of merit (ZT) analysis result of Experimental Example 7.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
Since the present invention can apply various transformations and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

이하, 본 발명의 테트라헤드라이트계 화합물을 포함하는 열전재료에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a thermoelectric material including the tetrahedrite-based compound of the present invention will be described.

본 발명의 테트라헤드라이트계 화합물을 포함하는 열전재료는 하기 화학식 1로 표시되는 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.The thermoelectric material containing the tetrahedrite-based compound of the present invention is characterized in that it includes the tetrahedrite-based compound double doped with Zn and Bi represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Cu12 - xZnxSb4 - yBiyS13 Cu 12 - x Zn x Sb 4 - y Bi y S 13

화학식 1에서,In Formula 1,

0.1 ≤ x ≤ 0.4, 0.1 ≤ y ≤ 0.4 이다.0.1 ≤ x ≤ 0.4, and 0.1 ≤ y ≤ 0.4.

바람직하게는 상기 화학식 1에서, x = 0.1이고, 0.1 ≤ y ≤ 0.2 일 수 있다.Preferably, in Formula 1, x = 0.1, and 0.1 ≤ y ≤ 0.2.

상기 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물은 격자상수가 1.0339 내지 1.0373 nm 범위일 수 있다.The tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi may have a lattice constant in the range of 1.0339 to 1.0373 nm.

상기 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물은 홀계수(Hall coefficient)가 5.56 내지 44.01 cm3C-1 범위일 수 있다.The tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi may have a Hall coefficient in the range of 5.56 to 44.01 cm 3 C −1 .

상기 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물은 전하이동도(Mobility)가 606 내지 1094 cm2V-1s-1 범위일 수 있다.The tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi may have a charge mobility in the range of 606 to 1094 cm 2 V −1 s −1 .

상기 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물은 캐리어 농도(Carrier concentration)가 1.42 × 1017 내지 1.30 × 1018 범위일 수 있다.The tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi may have a carrier concentration in the range of 1.42 × 10 17 to 1.30 × 10 18 .

상기 열전재료는 P형 열전재료이다.
The thermoelectric material is a P-type thermoelectric material.

이하, 본 발명의 테트라헤드라이트계 화합물을 포함하는 열전재료의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a method for manufacturing a thermoelectric material including the tetrahedrite-based compound of the present invention will be described.

먼저, 분말 상태의 구리(First, powdered copper ( CuCu ), 아연(), zinc( ZnZn ), 안티모니(), antimony ( SbSb ) 및 황(S)을 ) and sulfur (S) 화학양론stoichiometry 조성으로 by composition 칭량하여by weighing 혼합한 혼합분말을 제조한다(단계 a). A mixed powder is prepared (step a).

구리, 아연, 안티모니, 및 황의 분말은 평균입경이 30 내지 200㎛인 것을 사용하는 것이 바람직하다.It is preferable to use copper, zinc, antimony, and sulfur powders having an average particle diameter of 30 to 200 μm.

이후, 상기 혼합분말을 기계적 After that, the mixed powder is mechanically 합금화(mechanical alloying)하여by mechanical alloying 테트라헤드라이트계tetrahedrite system 분말을 제조한다(단계 b). A powder is prepared (step b).

상기 기계적 합금화는 상기 혼합 분말과 볼 1:10 내지 1:30의 비율로 볼밀링하여 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1:15 내지 1:25의 비율로 수행될 수 있다.The mechanical alloying is preferably performed by ball milling in a ratio of 1:10 to 1:30 with the mixed powder and balls, and more preferably 1:15 to 1:25.

상기 볼밀링은 300 내지 400rpm으로 20 내지 30시간 동안 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 330 내지 370rpm으로 22 내지 26시간 동안 수행될 수 있다.The ball milling is preferably performed at 300 to 400 rpm for 20 to 30 hours, and more preferably at 330 to 370 rpm for 22 to 26 hours.

다음으로, 상기 Next, the 테트라헤드라이트계tetrahedrite system 분말을 진공 vacuum the powder 열간압축성형을hot compression molding 수행하여 소결체를 형성한다(단계 c). to form a sintered body (step c).

상기 진공 열간압축성형은 700 내지 750 K의 온도, 65 내지 75MPa의 압력으로 수행될 수 있다.
The vacuum hot compression molding may be performed at a temperature of 700 to 750 K and a pressure of 65 to 75 MPa.

특히, 하기 실시예에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 열전재료의 제조방법에 있어서, 단계 (b)의 볼밀링에서 혼합분말과 볼의 비율, 볼밀링의 속도 및 시간, 단계 (c)에서 진공 열간압축성형의 온도 및 압력 조건을 변화시키면서 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물을 포함하는 열전재료를 제조하였다. In particular, although not explicitly described in the following examples, in the method for manufacturing a thermoelectric material according to the present invention, the ratio of the mixed powder to the balls in the ball milling of step (b), the speed and time of the ball milling, the step (c) ) to prepare a thermoelectric material containing a tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi while changing the temperature and pressure conditions of vacuum hot compression molding.

이와 같이 제조된 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물을 포함하는 열전재료에 대하여 전기화학적 특성 시험을 수행하여 열전도도, 출력인자 및 열전성능지수를 확인하였다. 그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래의 조건을 모두 만족하는 경우에만 전자 열전도도 감소시키고, 출력인자를 최적화하며, Sb와 등가인 Bi 치환으로 추가적인 포논 산란에 의한 격자 열전도도 감소를 통해 열전성능지수(ZT)가 향상된 테트라헤드라이트계 열전재료를 수득할 수 있었다. 이와 같은 제조조건은 아래와 같다.Electrochemical property tests were performed on the thus-prepared thermoelectric material including the tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi to confirm thermal conductivity, output factor, and thermoelectric figure of merit. As a result, unlike other conditions and other numerical ranges, electron thermal conductivity is reduced only when all of the following conditions are satisfied, the output factor is optimized, and lattice thermal conductivity is reduced by additional phonon scattering by replacing Bi, which is equivalent to Sb. Through this, it was possible to obtain a tetrahedrite-based thermoelectric material with improved thermoelectric performance index (ZT). Such manufacturing conditions are as follows.

단계 (b)에서 볼밀링은 혼합분말과 볼 1:10 내지 1:30의 비율로 사용하고, 300 내지 400rpm으로 20 내지 30시간 동안 수행하며, 단계 (c)에서 진공 열간압축성형은 700 내지 750 K의 온도, 65 내지 75MPa의 압력으로 수행한다.
In step (b), ball milling is performed at a ratio of mixed powder and balls 1:10 to 1:30, and is performed at 300 to 400 rpm for 20 to 30 hours, and vacuum hot compression molding in step (c) is 700 to 750 It is carried out at a temperature of K and a pressure of 65 to 75 MPa.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention. However, these examples are for explaining the present invention in more detail, the scope of the present invention is not limited thereby, and it is common in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention. It will be self-evident to those with knowledge.

[실시예][Example]

실시예Example 1 내지 5 1 to 5

Cu12-xZnxSb4-yBiyS13 (0.1 ≤ x ≤ 0.4 및 0.1 ≤ y ≤ 0.4) 화합물의 합성을 위하여, 원소분말 상태의 Cu (purity 99.9%, <45 ㎛), Zn (purity 99.9%, <75 ㎛), Sb (purity 99.999%, <75 ㎛), Bi (purity 99.999%, <180 ㎛), 및 S (purity 99.99%, <75 ㎛)를 화학양론 조성으로 칭량 후 혼합분말과 steel 볼(직경 5 mm)을 1:20의 비율로 hardened steel jar에 장입하였고, planetary ball mill (Fritsch, Pulverisette5)을 이용하여 350 rpm으로 24 시간 동안 기계적 합금화(MA)를 실시하였다. 합성된 테트라헤드라이트 분말을 내경 10 mm의 그라파이트 몰드에 장입하여 723 K에서 2 시간 동안 70 MPa의 압력으로 진공 열간압축성형(HP)을 실시하였다. For the synthesis of Cu 12-x Zn x Sb 4-y Bi y S 13 (0.1 ≤ x ≤ 0.4 and 0.1 ≤ y ≤ 0.4) compounds, Cu (purity 99.9%, <45 μm), Zn ( Weigh and mix purity 99.9%, <75 μm), Sb (purity 99.999%, <75 μm), Bi (purity 99.999%, <180 μm), and S (purity 99.99%, <75 μm) to a stoichiometric composition Powder and steel balls (diameter 5 mm) were charged in a hardened steel jar at a ratio of 1:20, and mechanical alloying (MA) was performed at 350 rpm for 24 hours using a planetary ball mill (Fritsch, Pulverisette5). The synthesized tetrahedrite powder was charged into a graphite mold having an inner diameter of 10 mm and vacuum hot compression molding (HP) was performed at 723 K for 2 hours at a pressure of 70 MPa.

이에 따라 제조된 실시예 1 내지 5의 화학적 조성을 아래의 표 1에 나타내었고, 격자상수, 상온에서의 전하이동특성을 정리하여 표 2에 나타내었다.The chemical compositions of Examples 1 to 5 thus prepared are shown in Table 1 below, and the lattice constant and charge transfer characteristics at room temperature are summarized in Table 2.

구분division Cu12 - xZnxSb4 - yBiyS13 Cu 12 - x Zn x Sb 4 - y Bi y S 13 CompositionComposition xx yy NominalNominal ActualActual 실시예 1Example 1 0.10.1 0.10.1 Cu11 .9Zn0 .1Sb3 .9Bi0 .1S13 Cu 11 .9 Zn 0 .1 Sb 3 .9 Bi 0 .1 S 13 Cu12 .82Zn0 .32Sb3 .84Bi0 .12S11 .9 Cu 12 .82 Zn 0 .32 Sb 3 .84 Bi 0 .12 S 11 .9 실시예 2Example 2 0.10.1 0.20.2 Cu11 .9Zn0 .1Sb3 .8Bi0 .2S13 Cu 11 .9 Zn 0 .1 Sb 3 .8 Bi 0 .2 S 13 Cu12 .59Zn0 .42Sb3 .72Bi0 .15S12 .12 Cu 12 .59 Zn 0 .42 Sb 3 .72 Bi 0 .15 S 12 .12 실시예 3Example 3 0.20.2 0.20.2 Cu11 .8Zn0 .2Sb3 .8Bi0 .2S13 Cu 11 .8 Zn 0 .2 Sb 3 .8 Bi 0 .2 S 13 Cu13 .07Zn0 .61Sb3 .4Bi0 .18S11 .73 Cu 13 .07 Zn 0 .61 Sb 3 .4 Bi 0 .18 S 11 .73 실시예 4Example 4 0.20.2 0.40.4 Cu11 .8Zn0 .2Sb3 .6Bi0 .4S13 Cu 11 .8 Zn 0 .2 Sb 3 .6 Bi 0 .4 S 13 Cu11 .45Zn0 .47Sb3 .97Bi0 .42S12 .69 Cu 11 .45 Zn 0 .47 Sb 3 .97 Bi 0 .42 S 12 .69 실시예 5Example 5 0.40.4 0.20.2 Cu11 .6Zn0 .4Sb3 .8Bi0 .2S13 Cu 11 .6 Zn 0 .4 Sb 3 .8 Bi 0 .2 S 13 Cu11 .90Zn0 .60Sb3 .90Bi0 .17S12 .42 Cu 11 .90 Zn 0 .60 Sb 3 .90 Bi 0 .17 S 12 .42

구분division 격자상수(Lattice constant)
[nm]
Lattice constant
[nm]
홀계수
(Hall coefficient)
[cm3C-1]
odd coefficient
(Hall coefficient)
[cm 3 C -1 ]
전하이동도
(Mobility)
[cm2V-1s-1]
charge mobility
(Mobility)
[cm 2 V -1 s -1 ]
캐리어농도
(Carrier concentration)
[cm-3]
carrier concentration
(Carrier concentration)
[cm -3 ]
로렌츠상수(Lorenz number)
[10-8 V2K-2]
Lorenz number
[10 -8 V 2 K -2 ]
실시예 1Example 1 1.03391.0339 5.565.56 980980 1.12×1018 1.12×10 18 1.811.81 실시예 2Example 2 1.03411.0341 4.804.80 10941094 1.30×1018 1.30×10 18 1.841.84 실시예 3Example 3 1.03531.0353 20.3920.39 10371037 3.06×1018 3.06×10 18 1.681.68 실시예 4Example 4 1.03571.0357 10.0310.03 719719 6.23×1017 6.23×10 17 1.741.74 실시예 5Example 5 1.03731.0373 44.0144.01 606606 1.42×1017 1.42×10 17 1.601.60

[실험예][Experimental example]

실험방법Experimental method

X-선 회절분석기(XRD; Bruker, D2-Phaser)로 Cu Kα radiation (λ= 0.15405 nm)을 사용하여 HP 시편의 상을 분석하였다. 전계방사형 주사전자현미경 (FESEM; JEOL, JSM-7610F)으로 미세조직을 관찰하였고, 에너지분산형 분광기 (EDS; Oxford, X-Max50)를 사용하여 성분원소의 분포 및 조성을 확인하였다. 소결체는 제벡계수 및 전기전도도를 측정하기 위한 3 mm × 3 mm × 9 mm의 직육면체 형태와 열전도도 및 홀계수 측정을 위한 10 mm (직경) × 1 mm (두께)의 디스크 형태로 절단하였다. Hall 계수는 van der Pauw 방법을 이용해 상온에서 1 T의 일정한 자장과 100 mA의 전류를 인가하여 측정하였다. 323 ~ 723 K 온도범위에서 제벡계수는 온도 미분법을, 전기전도도는 4-probe법을 이용하여 He 분위기에서 ZEM-3 (Ulvac-Riko) 장비로 측정하였다. 열전도도는 열확산도, 비열 및 밀도로부터 얻을 수 있으며, 열확산도는 TC-9000H (Ulvac-Riko) 장비로 레이저 플레쉬 방법으로 측정하였다. 측정된 제벡계수, 전기전도도 및 열전도도로부터 출력인자와 무차원 성능지수(ZT)를 평가하였다.
The image of the HP specimen was analyzed using Cu Kα radiation (λ=0.15405 nm) with an X-ray diffractometer (XRD; Bruker, D2-Phaser). The microstructure was observed with a field emission scanning electron microscope (FESEM; JEOL, JSM-7610F), and the distribution and composition of the constituent elements were confirmed using an energy dispersive spectrometer (EDS; Oxford, X-Max50). The sintered body was cut into a cuboid shape of 3 mm × 3 mm × 9 mm for measuring Seebeck coefficient and electrical conductivity, and a disk shape of 10 mm (diameter) × 1 mm (thickness) for measuring thermal conductivity and Hall coefficient. The Hall coefficient was measured by applying a constant magnetic field of 1 T and a current of 100 mA at room temperature using the van der Pauw method. In the temperature range of 323 ~ 723 K, the Seebeck coefficient was measured using the temperature differential method and the electrical conductivity was measured using the ZEM-3 (Ulvac-Riko) instrument in a He atmosphere using the 4-probe method. Thermal conductivity can be obtained from thermal diffusivity, specific heat and density, and thermal diffusivity was measured by laser flash method using TC-9000H (Ulvac-Riko) equipment. The output factor and dimensionless figure of merit (ZT) were evaluated from the measured Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermal conductivity.

실험예Experimental example 1: X선 1: X-ray 회절diffraction 분석 analysis

도 1은 소결 후 실시예 1 내지 5의 Cu12 - xZnxSb4 - yBiyS13에 대한 X선 회절 패턴을 나타낸 것이다. 모든 시편은 ICDD 표준회절자료 (PDF# 24-1318)와 잘 일치하여 테트라헤드라이트 상이 성공적으로 합성되었음을 알 수 있었다. 도핑량(x 및 y)의 증가와 함께 Cu3SbS3 (skinnerite) 이차상이 검출되었고, 특히 Bi 도핑량이 증가할수록 이차상 생성이 증가하였다. Bi 도핑량이 증가할수록 불순물 상(Cu3SbS4 및 Cu3SbS3)이 증가하였고, 이는 pure tetrahedrite에서 Bi의 낮은 고용한도 때문이다. 도 1의 (b)에 보이는 것처럼, 도핑량이 증가할수록 회절각도가 저각으로 이동하였고, 이는 표 2에 나타난 바와 같이 도핑에 의해 격자상수가 1.0339 nm에서 1.0373 nm로 증가한 결과이다. Zn2 + 이온반경 (60 pm)이 Cu+ (60 pm) 또는 Cu2 + (57 pm) 이온반경보다 크고, Bi3 + 이온반경 (96 pm)은 Sb3 + (76 pm) 보다 크기 때문이다.
Figure 1 is an embodiment 1-5 of the Cu 12 after sintering - shows the X-ray diffraction pattern of the y Bi y S 13 - x Zn x Sb 4. All specimens were in good agreement with the ICDD standard diffraction data (PDF# 24-1318), indicating that the tetrahedrite phase was successfully synthesized. A Cu 3 SbS 3 (skinnerite) secondary phase was detected with an increase in the doping amount (x and y). In particular, as the Bi doping amount increased, the formation of the secondary phase increased. As the Bi doping amount increased, the impurity phases (Cu 3 SbS 4 and Cu 3 SbS 3 ) increased, which is due to the low solubility of Bi in pure tetrahedrite. As shown in (b) of FIG. 1, the diffraction angle shifted to a lower angle as the doping amount increased, which is a result of increasing the lattice constant from 1.0339 nm to 1.0373 nm by doping, as shown in Table 2. Zn 2 + ion radius (60 pm) is larger than Cu + (60 pm) or Cu 2 + (57 pm) ion radius, Bi 3 + ion radius (96 pm) is larger than Sb 3 + (76 pm) .

실험예Experimental example 2: 형태 및 조성 분석 2: Morphological and compositional analysis

도 2는 소결한 실시예 1 내지 5의 Cu12 - xZnxSb4 - yBiyS13 파단면의 전자현미경(FESEM) 이미지이다. 열간압축성형으로 이론밀도 대비 99% 이상의 기공이나 크랙이 거의 없는 건전한 소결체를 얻었다. 도핑량에 따른 미세조직의 차이는 크게 나타나지 않았다. 또한 모든 구성 원소 및 도핑 원소가 균질하게 분포되었음을 확인하였다. 대표적으로 Cu11 .9Zn0 .1Sb3 .9Bi0 .1S13에 대한 원소 매핑 결과를 도 3에 나타내었다.
FIG. 2 is an electron microscope (FESEM) image of a cross section of Cu 12 - x Zn x Sb 4 - y Bi y S 13 of Examples 1 to 5 sintered. A sound sintered compact with almost 99% or more pores or cracks compared to the theoretical density was obtained by hot compression molding. There was no significant difference in microstructure according to the doping amount. In addition, it was confirmed that all constituent elements and doping elements were homogeneously distributed. Typically, 11 .9 Cu Zn 0 .1 .9 Sb 3 shows an element mapping result for the Bi 0 .1 S 13 in Fig.

실험예Experimental example 3: 전기전도도 변화 분석 3: Analysis of changes in electrical conductivity

도 4는 실시예 1 내지 5의 Cu12 - xZnxSb4 - yBiyS13에 대한 전기전도도 변화를 나타내었다. 도핑량이 적은 시편인 실시예 2(x=0.1, y==0.2)의 경우 온도가 증가할수록 전기전도도가 증가하다가 623 K 이상에서 감소하였고, 이는 비축퇴 반도체에서 금속과 같은 전도특성으로 바뀌며 나타나는 거동이다. 그러나 Zn와 Bi 도핑량이 증가하면 온도가 증가함에 따라 전기전도도가 증가하는 비축퇴 반도체 거동을 보였다. Zn2+ 원자가 Cu+ 자리를 대체하면 여분의 전자가 가전자대의 홀을 채우기 때문에 전기전도도가 감소하게 된다. 따라서 Zn의 치환량이 증가할수록 전기전도도가 감소하였고, 이는 표 2의 캐리어 농도 감소의 결과와 일치한다. Bi 도핑의 경우 Sb와 등가이기 때문에 전기전도도의 변화에 영향이 없을 것이라고 예상하였다. 그러나 같은 Zn 도핑량에서 더 많은 Bi를 도핑한 시편의 전기전도도가 더 높았다. 즉, 실시예 2가 실시예 1 보다 전기전도도가 높고 실시예 4가 실시예 3 보다 전기전도도가 높았으며, 이는 표 2에 나타난 바와 같이 Bi 도핑에 의해 캐리어 농도가 증가한 결과와 같다. 보통 Cu vacancy는 Cu chalcogenide에서 가장 낮은 formation energy를 갖는 것으로 알려져 있으며, 테트라헤드라이트가 높은 홀 농도를 갖는 것은 억셉터 역할을 하는 Cu vacancy와 관련이 있다.
4 shows changes in electrical conductivity for Cu 12 x Zn x Sb 4 y Bi y S 13 of Examples 1 to 5 . In the case of Example 2 (x=0.1, y==0.2), which is a sample with a small doping amount, the electrical conductivity increased as the temperature increased, and then decreased at 623 K or more, which is a behavior that appears as a non-degenerate semiconductor changes to a metal-like conductivity am. However, as the doping amount of Zn and Bi increased, the non-degenerate semiconductor behavior was increased as the temperature increased. When Zn 2+ atoms replace Cu + sites, the electrical conductivity decreases because extra electrons fill the valence band holes. Therefore, as the amount of substitution of Zn increased, the electrical conductivity decreased, which is consistent with the results of the decrease in carrier concentration in Table 2. Since Bi doping is equivalent to Sb, it was expected that the change in electrical conductivity would not be affected. However, the electrical conductivity of the specimen doped with more Bi at the same Zn doping amount was higher. That is, Example 2 had higher electrical conductivity than Example 1 and Example 4 had higher electrical conductivity than Example 3, which is the same as the result of increasing carrier concentration by Bi doping, as shown in Table 2. Usually, Cu vacancy is known to have the lowest formation energy in Cu chalcogenide, and the fact that tetrahedrite has a high hole concentration is related to Cu vacancy acting as an acceptor.

실험예Experimental example 4: 4: 제벡계수Seebeck coefficient (( seebeckseebeck coefficientcoefficient , α) 변화 분석, α) change analysis

도 5는 실시예 1 내지 5의 Cu12 - xZnxSb4 - yBiyS13에 대한 제벡계수 변화를 나타낸 것이다. 모든 시편은 측정 온도 범위에서 p형 전도특성을 나타내는 양의 제벡계수 값을 보였으며, 표 2의 홀 계수 부호와도 일치하였다. 일반적으로 제벡계수는 온도가 증가함에 따라 최댓값을 보이고 다시 감소하는 거동을 보이며, 이는 진성 전도 영역에서 열 여기에 의한 양극성 전도 때문이다. 모든 시편은 온도가 증가할수록 제벡계수가 증가하는 거동을 보였으나, 실시예 5의 Cu11 .6Zn0 .4Sb3 .8Bi0 .2-S13 시편의 경우 상온에서부터 제벡계수가 감소하는 다른 온도 의존성을 보였다. 이는 Zn 도핑에 의한 낮은 캐리어 농도 때문에 양극성 전도의 시작이 저온으로 이동한 것으로 보인다. Zn의 도핑량은 증가할수록, Bi 도핑량은 낮을수록 제벡계수가 증가하였으며, 실시예 5의 Cu11 .6Zn0 .4Sb3 .8Bi0 .2S13가 323 ~ 723 K 온도 범위에서 264 ~ 252 μVK-1으로 최댓값을 보였다. 5 is a graph showing the change in Seebeck coefficient for Cu 12 - x Zn x Sb 4 - y Bi y S 13 of Examples 1 to 5; All specimens showed positive Seebeck coefficient values indicating p-type conduction characteristics in the measurement temperature range, and also coincided with the Hall coefficient sign in Table 2. In general, the Seebeck coefficient shows a maximum value as the temperature increases and then decreases again, which is due to bipolar conduction due to thermal excitation in the intrinsic conduction region. All specimens which temperature increases more and showed a behavior that the Seebeck coefficient is increased, a fifth embodiment of the Cu 11 .6 Zn 0 .4 Sb 3 .8 decreases Bi 0 .2- S 13 specimens Seebeck coefficient from room temperature for showed different temperature dependence. It seems that the onset of bipolar conduction shifted to a lower temperature because of the low carrier concentration by Zn doping. Dose of Zn is increasing, Bi doping amount is increased, the lower the Seebeck coefficient, a fifth embodiment of the Cu 11 .6 Zn 0 .4 Sb 3 .8 Bi 0 .2 S 13 is 323-723 K in the temperature range 264 ~ 252 μVK -1 showed the maximum value.

Pisarenko 관계식 α = (8/3)π2 k B 2 e -1 h -2 m * T(π/3n) 2/3 (k B: Boltzmann constant, e: electron charge, m *: effective carrier mass, n: carrier concentration)에 따르면, 제벡계수와 캐리어 농도는 반비례 관계가 있기 때문에 높은 Zn 도핑량과 낮은 Bi 도핑량에서 높은 제벡계수를 나타냈고, 이는 표 2의 캐리어농도 및 전기전도도 거동과 일치한다.
Pisarenko relation α = (8/3)π 2 k B 2 e -1 h -2 m * T(π/3n) 2/3 According to ( k B : Boltzmann constant, e : electron charge, m * : effective carrier mass, n : carrier concentration), the Seebeck coefficient and carrier concentration are inversely proportional to each other. coefficients are shown, which are consistent with the carrier concentration and electrical conductivity behaviors in Table 2.

실험예Experimental example 5: 5: 출력인자output factor 분석 analysis

실시예 1 내지 5의 Cu12 - xZnxSb4 - yBiyS13에 대한 전기전도도와 제벡계수로부터 얻은 출력인자 (PF = α2σ)를 도 6에 나타내었다. 온도가 증가함에 따라 출력인자가 크게 증가하였고, 이는 도 4의 전기전도도와 도 5의 제벡계수의 온도의존성에 따른 결과이다. Zn의 도핑량이 증가할수록 제벡계수가 증가했음에도 불구하고, 전기전도도의 감소가 더 우세하여 출력인자가 감소하였다. 그러나 Bi 도핑량에 따른 출력인자의 차이는 크게 나지 않았다. 실시예 1의 Cu11 .9Zn0 .1Sb3 .9Bi0 .1S13와 실시예 2의 Cu11.9Zn0.1Sb3.8Bi0.2S13이 723 K에서 각각 0.83 mWmK-2 및 0.84 mWmK-2의 최대 출력인자를 나타내었다.
6 shows the electrical conductivity and the output factor (PF = α 2 σ) obtained from the Seebeck coefficient for Cu 12 x Zn x Sb 4 y Bi y S 13 of Examples 1 to 5 . As the temperature increased, the output factor greatly increased, which is a result of the temperature dependence of the electrical conductivity of FIG. 4 and the Seebeck coefficient of FIG. 5 . Although the Seebeck coefficient increased as the doping amount of Zn increased, the decrease in electrical conductivity was more dominant and the output factor decreased. However, there was no significant difference in the output factor according to the Bi doping amount. Cu embodiment 11 of Example 1 .9 Zn 0 .1 Sb 3 .9 Bi 0 .1 S 13 as in Example 2 of Cu 11.9 Zn 0.1 Sb 3.8 Bi 0.2 S 13 yi eseo 723 K respectively, 0.83 and 0.84 -2 mWmK mWmK - The maximum output factor of 2 is shown.

실험예Experimental example 6: 열전도도 변화 분석 6: Thermal conductivity change analysis

도 7은 실시예 1 내지 5의 Cu12 - xZnxSb4 - yBiyS13에 대한 열전도도를 나타낸 것이다. 열전도도는 격자에 의한 열전도도(κL)와 전자에 의한 열전도도(κE)의 합으로 나타낼 수 있고, 전자 열전도도는 Wiedemann-Franz 식 (κE = LσT, L: Lorenz number)에 의해 계산될 수 있다. 이때 로렌츠 상수는 식 L = 1.5 + exp[

Figure 112019101453198-pat00001
Figure 112019101453198-pat00002
] 을 사용하여 계산한 결과, 323 K에서 1.61 × 10-8 ~ 1.84 × 10-8 V2K-2를, 723 K에서 1.61 × 10-8 ~ 1.72 × 10-8 V2K-2의 값을 나타내었다. 표 2에는 각 시편의 323 K에서의 로렌츠 상수를 나타내었다. 7 shows the thermal conductivity of Cu 12 - x Zn x Sb 4 - y Bi y S 13 of Examples 1 to 5; Thermal conductivity can be represented by the sum of the thermal conductivity (κ L) and thermal conductivity (κ E) by the electron by the grid, the electron conductivity is Wiedemann-Franz formula: by (κ E = LσT, L Lorenz number) can be calculated. In this case, the Lorentz constant is expressed as L = 1.5 + exp[
Figure 112019101453198-pat00001
Figure 112019101453198-pat00002
- the calculation by using, from 323 K 1.61 × 10 -8 ~ 1.84 × 10 -8 V 2 K -2 a, at 723 K 1.61 × 10 -8 ~ 1.72 × 10 -8 V 2 value of K -2 was shown. Table 2 shows the Lorentz constant at 323 K of each specimen.

도 7의 (a)와 같이 Zn의 도핑량이 증가할수록 열전도도가 감소하였고, 도 7의 (b)에 나타난 바와 같이 y = 0.2인 시편들의 경우 도핑하지 않은 Cu12Sb4S13의 열전도도 723 K에서 0.81 Wm-1K-1 보다 낮은 값을 나타내었다. 이는 주로 Zn 치환으로 캐리어 농도 감소에 의한 전자 열전도도 감소 때문이다. 모든 시편의 격자 열전도도 열전도도는 723 K에서 0.46 ~ 0.50 Wm-1K-1의 값을 나타내었고, 이는 테트라헤드라이트에서 이론적 최소 격자 열전도도 (~0.4 Wm-1K-1)에 가까운 값이다. 이는 Zn와 Bi의 이중 치환에 의한 추가적인 점결함 포논 산란 때문인 것으로 보인다.
Also increases the amount of doping of Zn, such as 7 (a) had the thermal conductivity is reduced, the thermal conductivity 723 of y = 0.2 the sample not doped Cu 12 Sb 4 S 13 In the case of, as shown in Figure 7 (b) in the K 0.81 Wm -1 it exhibited a lower value than K -1. This is mainly due to the decrease in electron thermal conductivity due to the decrease in carrier concentration due to Zn substitution. The lattice thermal conductivity and thermal conductivity of all specimens showed a value of 0.46 ~ 0.50 Wm -1 K -1 at 723 K, which is close to the theoretical minimum lattice thermal conductivity (~0.4 Wm -1 K -1 ) in tetrahedrite. am. This appears to be due to the additional point-defect phonon scattering by the double substitution of Zn and Bi.

실험예Experimental example 7: 열전성능지수( 7: Thermoelectric performance index ( ZTZT ) 분석) analysis

도 8은 실시예 1 내지 5의 Cu12 - xZnxSb4 - yBiyS13에 대한 열전성능지수(ZT)를 나타낸 것이다. 이에 따르면, 온도가 증가함에 따라 모든 시편의 열전성능지수(ZT)가 상승하였다. 실시예 1의 Cu11 .9Zn0 .1Sb3 .9Bi-0.1S13은 723 K 일 때 ZTmax = 0.77을 얻었고, 이는 상대적으로 높은 출력인자 (0.83 mWm-1K-2)와 낮은 열전도도 (0.76 Wm-1K-1) 때문이다. 그러나 Zn와 Bi의 도핑량이 증가하면 ZT가 감소하였다. 본 발명에 따른 이중 치환에 의해 종래 Barbier 등이 발표한 도핑하지 않은 테트라헤드라이트의 ZT = 0.60 @ 723 K와 Wang 등이 보고한 Cu12Sb4S13의 ZT = 0.52 @ 600 K 보다 향상된 ZT를 얻었다.
8 shows the thermoelectric figure of merit (ZT) for Cu 12 - x Zn x Sb 4 - y Bi y S 13 of Examples 1 to 5; According to this, the thermoelectric figure of merit (ZT) of all the specimens increased as the temperature increased. Example 1 Cu 11 .9 Zn 0 .1 Sb 3 .9 Bi- 0.1 S 13 found a ZT max = 0.77 when the K 723, which relatively high power factor (0.83 mWm -1 K -2) and the low This is due to the thermal conductivity (0.76 Wm -1 K -1 ). However, as the doping amount of Zn and Bi increased, ZT decreased. By double substitution according to the present invention, ZT = 0.60 @ 723 K of undoped tetrahedrite reported by Barbier et al. and ZT = 0.52 @ 600 K of Cu 12 Sb 4 S 13 reported by Wang et al. got it

Claims (12)

하기 화학식 1로 표시되는 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물을 포함하는 열전재료.
[화학식 1]
Cu12-xZnxSb4-yBiyS13
화학식 1에서,
0.1 ≤ x ≤ 0.4, 0.1 ≤ y ≤ 0.4 이다.
A thermoelectric material comprising a tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi represented by the following formula (1).
[Formula 1]
Cu 12-x Zn x Sb 4-y Bi y S 13
In Formula 1,
0.1 ≤ x ≤ 0.4, and 0.1 ≤ y ≤ 0.4.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1에서,
x = 0.1이고, 0.1 ≤ y ≤ 0.2인 것을 특징으로 하는 열전재료.
According to claim 1,
In Formula 1,
A thermoelectric material, characterized in that x = 0.1, and 0.1 ≤ y ≤ 0.2.
제1항에 있어서,
상기 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물은 격자상수가 1.0339 내지 1.0373 nm 범위인 것을 특징으로 하는 열전재료.
According to claim 1,
The tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi has a lattice constant in the range of 1.0339 to 1.0373 nm.
제1항에 있어서,
상기 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물은 홀계수(Hall coefficient)가 5.56 내지 44.01 cm3C-1 범위인 것을 특징으로 하는 열전재료.
According to claim 1,
The tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi has a Hall coefficient in the range of 5.56 to 44.01 cm 3 C -1 .
제1항에 있어서,
상기 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물은 전하이동도(Mobility)가 606 내지 1094 cm2V-1s-1 범위인 것을 특징으로 하는 열전재료.
According to claim 1,
The tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi has a charge mobility (Mobility) of 606 to 1094 cm 2 V -1 s -1 Thermoelectric material, characterized in that the range.
제1항에 있어서,
상기 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물은 캐리어 농도(Carrier concentration)가 1.42 × 1017 내지 1.30 × 1018 범위인 것을 특징으로 하는 열전재료.
According to claim 1,
The tetrahedrite-based compound doped with Zn and Bi has a carrier concentration in the range of 1.42 × 10 17 to 1.30 × 10 18 .
제1항에 있어서,
상기 열전재료는 P형 열전재료인 것을 특징으로 하는 열전재료.
According to claim 1,
The thermoelectric material is a thermoelectric material, characterized in that the P-type thermoelectric material.
(a) 분말 상태의 구리(Cu), 아연(Zn), 안티모니(Sb) 및 황(S)을 화학양론 조성으로 칭량하여 혼합한 혼합분말을 제조하는 단계;
(b) 상기 혼합분말을 기계적 합금화(mechanical alloying)하여 테트라헤드라이트계 분말을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 테트라헤드라이트계 분말을 진공 열간압축성형을 수행하여 소결체를 형성하는 단계;를 포함하는 하기 화학식 1로 표시되는 Zn 및 Bi가 이중 도핑된 테트라헤드라이트계 화합물을 포함하는 열전재료의 제조방법.
[화학식 1]
Cu12-xZnxSb4-yBiyS13
화학식 1에서,
0.1 ≤ x ≤ 0.4, 0.1 ≤ y ≤ 0.4 이다.
(a) preparing a mixed powder obtained by weighing and mixing copper (Cu), zinc (Zn), antimony (Sb) and sulfur (S) in a stoichiometric composition;
(b) preparing a tetrahedrite-based powder by mechanically alloying the mixed powder; and
(c) performing vacuum hot compression molding of the tetrahedrite-based powder to form a sintered compact; manufacturing method.
[Formula 1]
Cu 12-x Zn x Sb 4-y Bi y S 13
In Formula 1,
0.1 ≤ x ≤ 0.4, and 0.1 ≤ y ≤ 0.4.
제8항에 있어서,
단계 (b)에서, 상기 기계적 합금화는 상기 혼합분말과 볼 1:10 내지 1:30의 비율로 볼밀링하여 수행되는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
9. The method of claim 8,
In step (b), the mechanical alloying is a method of manufacturing a thermoelectric material, characterized in that the ball milling is performed by ball milling in a ratio of 1:10 to 1:30 with the mixed powder.
제9항에 있어서,
단계 (b)에서, 상기 볼밀링은 300 내지 400rpm으로 20 내지 30시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
10. The method of claim 9,
In step (b), the ball milling method of manufacturing a thermoelectric material, characterized in that performed for 20 to 30 hours at 300 to 400 rpm.
제8항에 있어서,
단계 (c)에서, 상기 진공 열간압축성형은 700 내지 750 K의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
9. The method of claim 8,
In step (c), the vacuum hot compression molding is a method of manufacturing a thermoelectric material, characterized in that performed at a temperature of 700 to 750 K.
제11항에 있어서,
단계 (c)에서, 상기 진공 열간압축성형은 65 내지 75MPa의 압력으로 수행되는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
12. The method of claim 11,
In step (c), the vacuum hot compression molding is a method of manufacturing a thermoelectric material, characterized in that performed at a pressure of 65 to 75 MPa.
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