KR102339632B1 - Half-heusler type thermoelectric material, method for manufacturing the same, thermoelectric element comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하프-호이슬러계 열전재료, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 열전 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로 향상된 제벡 계수 및 전기 전도도 등에 기인한 높은 열전 성능을 나타내는 하프-호이슬러계 열전재료, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 열전 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a half-Heusler-based thermoelectric material, a method for manufacturing the same, and a thermoelectric device including the same, and more particularly, to a half-Heusler-based thermoelectric material exhibiting high thermoelectric performance due to improved Seebeck coefficient and electrical conductivity, and the like It relates to a manufacturing method and a thermoelectric device including the same.

Description

하프-호이슬러계 열전재료, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 열전 소자{HALF-HEUSLER TYPE THERMOELECTRIC MATERIAL, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, THERMOELECTRIC ELEMENT COMPRISING THE SAME}HALF-HEUSLER TYPE THERMOELECTRIC MATERIAL, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, THERMOELECTRIC ELEMENT COMPRISING THE SAME

본 발명은 하프-호이슬러계 열전재료, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 열전 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로 향상된 제벡 계수 및 전기 전도도 등에 기인한 높은 열전 성능을 나타내는 하프-호이슬러계 열전재료, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 열전 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a half-Heusler-based thermoelectric material, a method for manufacturing the same, and a thermoelectric device including the same, and more particularly, to a half-Heusler-based thermoelectric material exhibiting high thermoelectric performance due to improved Seebeck coefficient and electrical conductivity, and the like It relates to a manufacturing method and a thermoelectric device including the same.

최근 자원 고갈 및 연소에 의한 환경 문제로 인해, 대체에너지 중 하나로 폐열을 이용한 열전재료에 대한 연구가 가속화되고 있다.Recently, due to environmental problems caused by resource depletion and combustion, research on thermoelectric materials using waste heat as one of alternative energy is accelerating.

이러한 열전재료의 에너지 변환 효율은 열전재료의 성능 지수 값인 ZT에 의존한다. 여기서, ZT는 제벡(Seebeck) 계수, 전기 전도도 및 열 전도도 등에 따라 결정되는데, 보다 구체적으로는 제벡 계수의 제곱 및 전기 전도도에 비례하며, 열 전도도에 반비례한다. 따라서, 열전 변환 소자의 에너지 변환 효율을 높이기 위하여, 제벡 계수 또는 전기 전도도가 높거나 열 전도도가 낮은 열전 변환 재료의 개발이 필요하다.The energy conversion efficiency of such a thermoelectric material depends on ZT, which is a figure of merit value of the thermoelectric material. Here, ZT is determined according to a Seebeck coefficient, electrical conductivity, thermal conductivity, and the like. More specifically, ZT is proportional to the square of the Seebeck coefficient and electrical conductivity, and is inversely proportional to thermal conductivity. Therefore, in order to increase the energy conversion efficiency of the thermoelectric conversion element, it is necessary to develop a thermoelectric conversion material having a high Seebeck coefficient or electrical conductivity or a low thermal conductivity.

최근 들어, 하프-호이슬러(Half-Heusler)계 화합물이 500℃ 이상의 고온에서도 우수한 열적 안정성을 갖는 것으로 알려짐에 따라, 열전재료의 후보 물질 중 하나로서 관심이 증가하고 있다. 도 1은 이러한 하프-호이슬러계 화합물의 일반적인 결정 격자 구조를 나타내는 모식도이다. 상기 하프-호이슬러계 화합물은 ABC의 일반식(A는 전형 금속 원소, 전이 금속 원소 또는 희토류 금속 원소이며, B는 전형 금속 원소, 전이 금속 원소 또는 희토류 금속 원소이고, C는 전형 금속 원소이다.)으로 표시될 수 있으며, A, B 및 C의 각 원소(도 1의 적색, 청색 및 녹색 원소)가 도 1 과 같은 결정 격자 구조를 이룰 수 있다. 이러한 하프-호이슬러계 화합물은 비교적 높은 전기 전도도 및 제벡 계수 등을 나타내어 열전재료의 유력한 후보 군 중의 하나로서 각광받고 있다. Recently, as Half-Heusler-based compounds are known to have excellent thermal stability even at high temperatures of 500° C. or higher, interest as one of the candidates for thermoelectric materials is increasing. 1 is a schematic diagram showing a general crystal lattice structure of such a Haf-Heusler-based compound. The Haf-Heusler-based compound has the general formula of ABC (A is a typical metal element, a transition metal element or a rare earth metal element, B is a typical metal element, a transition metal element or a rare earth metal element, and C is a typical metal element. ), and each element of A, B, and C (red, blue, and green elements in FIG. 1) may form a crystal lattice structure as shown in FIG. These Haf-Heusler-based compounds exhibit relatively high electrical conductivity, Seebeck coefficient, and the like, and thus are spotlighted as one of the strong candidates for thermoelectric materials.

그러나, 이전에 알려진 하프-호이슬러계 화합물을 사용하더라도 상대적으로 높은 열 전도도 및 충분치 못한 전기 전도도와 제벡 계수 등으로 인해, 이의 에너지 변환 효율은 충분치 못하였다. 이로 인해, 이의 ZT 값, 즉 에너지 변환 효율을 더욱 높이기 위한 다양한 시도가 이루어진 바 있으나, 아직까지는 충분치 못한 실정이다.However, even when a previously known Haf-Heusler-based compound is used, its energy conversion efficiency is not sufficient due to relatively high thermal conductivity, insufficient electrical conductivity, Seebeck coefficient, and the like. For this reason, various attempts have been made to further increase its ZT value, that is, energy conversion efficiency, but it is not yet sufficient.

이에 본 발명은 향상된 제벡 계수 및 전기 전도도 등에 기인한 높은 열전 성능을 나타내는 신규한 하프-호이슬러계 열전재료 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다. Accordingly, the present invention provides a novel half-Heusler-based thermoelectric material exhibiting high thermoelectric performance due to improved Seebeck coefficient and electrical conductivity, and a method for manufacturing the same.

또한, 본 발명은 상기 열전재료를 포함하는 열전 소자를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a thermoelectric device including the thermoelectric material.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 하프-호이슬러계 열전재료를 제공한다:The present invention provides a half-Heusler-based thermoelectric material represented by the following formula (1):

[화학식 1][Formula 1]

MgCuMxSbMgCuM x Sb

상기 화학식 1에서, x는 M의 첨가 몰비로서 0.001 내지 0.1이고, In Formula 1, x is 0.001 to 0.1 as an addition molar ratio of M,

M은 Ag, Au, Na, K, Rb 및 Cs로 이루어진 군에서 선택된 1가 금속 원소이다. M is a monovalent metal element selected from the group consisting of Ag, Au, Na, K, Rb and Cs.

본 발명은 또한, Mg, Cu 및 Sb를 포함한 원료 물질과, Ag, Au, Na, K, Rb 및 Cs로 이루어진 군에서 선택된 1가 금속을 포함한 원료 물질을 포함하는 혼합물을 열처리하는 단계; 및 The present invention also comprises the steps of heat-treating a mixture comprising a raw material including Mg, Cu and Sb and a raw material including a monovalent metal selected from the group consisting of Ag, Au, Na, K, Rb and Cs; and

상기 열처리된 혼합물을 소결하는 단계를 포함하는 상기 열전재료의 제조 방법을 제공한다. It provides a method of manufacturing the thermoelectric material comprising the step of sintering the heat-treated mixture.

또한, 본 발명은 상기 열전재료를 포함하는 열전 소자를 제공한다. In addition, the present invention provides a thermoelectric device including the thermoelectric material.

이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 하프-호이슬러계 열전재료, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 열전 소자에 관하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a half-Heusler-based thermoelectric material according to a specific embodiment of the present invention, a method for manufacturing the same, and a thermoelectric device including the same will be described in more detail.

발명의 일 구현예에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되는 하프-호이슬러계 열전재료가 제공된다:According to one embodiment of the invention, there is provided a half-Heusler-based thermoelectric material represented by the following Chemical Formula 1:

[화학식 1][Formula 1]

MgCuMxSbMgCuM x Sb

상기 화학식 1에서, x는 M의 첨가 몰비로서 0.001 내지 0.1이고, In Formula 1, x is 0.001 to 0.1 as an addition molar ratio of M,

M은 Ag, Au, Na, K, Rb 및 Cs로 이루어진 군에서 선택된 1가 금속 원소이다. M is a monovalent metal element selected from the group consisting of Ag, Au, Na, K, Rb and Cs.

본 발명의 실험 결과, MgCuSb의 공지된 하프-호이슬러계 화합물에 Ag 등의 1가 금속 원소를 첨가하여, 이러한 1가 금속 원소가 결정 격자 구조에 포함된 일 구현예의 열전재료는 크게 향상된 출력 인자 (PF=σS2) 및 성능 지수 ZT 값, 즉, 매우 우수한 열전 성능을 나타낼 수 있음이 확인되었다. 이는 다음과 같은 기술적 원리에 기인하는 것으로 예측된다. As a result of the experiment of the present invention, by adding a monovalent metal element such as Ag to a known Haf-Heusler-based compound of MgCuSb, the thermoelectric material of one embodiment in which the monovalent metal element is included in the crystal lattice structure has a significantly improved output factor (PF=σS 2 ) and the figure of merit ZT value, that is, it was confirmed that very good thermoelectric performance could be exhibited. This is expected to be due to the following technical principles.

후술하는 실시예에서도 입증되는 바와 같이, 상기 Ag 등의 1가 금속 원소의 첨가 여부 및 첨가 함량에 따라, 상기 MgCuSb의 공지된 화합물의 XRD 패턴 상의 특정 피크가 조금씩 shift됨이 확인되었다. 이러한 사실로부터, 상기 일 구현예의 열전재료의 결정 격자 구조에서는, 상기 1가 금속 원소가 상기 MgCuSb의 공지된 화합물의 결정 격자 구조의 일부 빈자리에 첨가되어 있는 것으로 예측된다. 보다 구체적으로, MgCuSb의 공지된 화합물의 결정 격자 구조에서는, Mg, Cu 및 Sb의 3종의 원소가 도 1에 나타난 바와 같은 결정 격자의 각 원소 자리를 점유하게 되는데, 상기 1가 금속 원소가 첨가된 경우, 이러한 1가 금속 원소가 상기 3종의 원소가 점유하고 남은 결정 격자의 빈자리에 첨가되어 이를 점유하는 것 (즉, 상기 화학식 1의 구조를 갖게 되는 것)으로 예측된다.As demonstrated in Examples to be described later, it was confirmed that the specific peak on the XRD pattern of the known compound of MgCuSb is slightly shifted depending on whether or not the monovalent metal element such as Ag is added and the content thereof. From this fact, in the crystal lattice structure of the thermoelectric material of the embodiment, it is predicted that the monovalent metal element is added to some vacancies in the crystal lattice structure of the known compound of MgCuSb. More specifically, in the crystal lattice structure of a known compound of MgCuSb, three elements of Mg, Cu and Sb occupy positions of each element in the crystal lattice as shown in FIG. 1 , and the monovalent metal element is added In this case, it is predicted that these monovalent metal elements are added to and occupy the vacant positions of the crystal lattice remaining after the three types of elements are occupied (that is, have the structure of Chemical Formula 1).

이러한 1가 금속 원소의 결정 격자 점유 등으로 인해, 페르미 레벨 주변에서의 상태 밀도와 엔트로피가 증가하여 일 구현예의 열전재료가 보다 향상된 제벡 계수를 나타낼 수 있는 것으로 예측된다. 또한, Mg, Cu 및 Sb의 3종의 원소와는 상이하게 1가 양이온을 형성하는 1가 금속 원소가 일부의 결정 격자 자리를 점유함에 따라, 정공 또는 전자 이동성이 증가하게 되는 것으로 예측된다. 그 결과, 일 구현예의 열전재료는 보다 향상된 전기 전도도 등을 나타낼 수 있는 것으로 예측된다. Due to the occupation of the crystal lattice of the monovalent metal element, the density of states and entropy around the Fermi level are increased, and it is predicted that the thermoelectric material according to an embodiment may exhibit a more improved Seebeck coefficient. In addition, as the monovalent metal element forming monovalent cations differently from the three elements of Mg, Cu, and Sb occupies some crystal lattice sites, it is predicted that hole or electron mobility will increase. As a result, it is predicted that the thermoelectric material of one embodiment may exhibit more improved electrical conductivity and the like.

이에 더하여, 상기 1가 금속 원소는 MgCuSb의 공지된 화합물의 결정 격자 구조에서 일종의 점 결함과 같이 작용하여, 상기 MgCuSb의 화합물이 갖는 열 전도도를 감소시키거나, 적어도 전기 전도도 및 제벡 계수의 상승폭 보다 작은 폭으로 열 전도도를 유지 또는 소폭 증가시킬 뿐인 것으로 예측된다. In addition, the monovalent metal element acts as a kind of point defect in the crystal lattice structure of a known compound of MgCuSb, thereby reducing the thermal conductivity of the compound of MgCuSb, or at least the electrical conductivity and the rise of the Seebeck coefficient are smaller than It is expected that width will only maintain or slightly increase thermal conductivity.

그 결과, 일 구현예의 열전재료는 기존에 알려진 MgCuSb 등의 하프-호이슬러계 열전재료와 비교하여, 우수한 전기 전도도 및 제벡 계수와 출력 인자 등을 나타낼 수 있고, 반면에 큰 열 전도도의 상승을 나타내지 않으므로, 크게 향상된 성능 지수 ZT 값, 즉, 매우 우수한 열전 성능을 나타낼 수 있는 것으로 보인다. 따라서, 일 구현예의 열전재료는 다양한 열전소자의 열전재료로서 매우 바람직하게 적용될 수 있다. As a result, the thermoelectric material of one embodiment can exhibit excellent electrical conductivity, Seebeck coefficient and output factor, etc., compared to the conventionally known half-Heusler-based thermoelectric material such as MgCuSb, and on the other hand, it does not exhibit a large increase in thermal conductivity. Therefore, it seems that a significantly improved figure of merit ZT value, that is, very good thermoelectric performance can be exhibited. Therefore, the thermoelectric material of one embodiment can be very preferably applied as a thermoelectric material for various thermoelectric devices.

한편, 일 구현예의 열전재료는 상기 MgCuSb의 공지된 화합물에 첨가된 1가 금속, 보다 구체적으로 Ag, Au, Na, K, Rb 및 Cs로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 1가 금속(1가 양이온으로 될 수 있는 금속)을 포함할 수 있다. 이 중에서도, Ag의 1가 금속을 포함함에 따라, 일 구현예의 열전재료가 보다 우수한 전기 전도성 및 제백계수 등을 나타낼 수 있고, 이에 따라 더욱 우수한 열전 성능을 나타낼 수 있다. On the other hand, the thermoelectric material of one embodiment is a monovalent metal added to the known compound of MgCuSb, more specifically, at least one monovalent metal (monovalent cation) selected from the group consisting of Ag, Au, Na, K, Rb and Cs. metals that can be Among them, since the monovalent metal of Ag is included, the thermoelectric material of an embodiment may exhibit superior electrical conductivity and Seebeck coefficient, and thus may exhibit superior thermoelectric performance.

그리고, 상기 일 구현예의 열전재료에서, 상기 1가 금속은 상기 MgCuSb의 화합물(또는 이에 포함된 Mg, Cu 또는 Sb의 각각)의 1몰에 대해 0.001 내지 0.1몰의 비율로 첨가될 수 있다. 이러한 비율의 첨가에 의해, 상기 1가 금속 첨가에 의한 열전 성능의 향상 정도(전기 전도도/제벡 계수 증가에 따른 출력 인자 향상 정도)를 보다 높일 수 있으면서도, 기본적인 하프-호이슬러계 화합물의 결정 구조나 특성을 저해하지 않을 수 있다. And, in the thermoelectric material of the embodiment, the monovalent metal may be added in a ratio of 0.001 to 0.1 moles with respect to 1 mole of the MgCuSb compound (or each of Mg, Cu, or Sb contained therein). By adding such a ratio, the degree of improvement of thermoelectric performance by the addition of the monovalent metal (the degree of improvement of the output factor according to the increase of electrical conductivity/Seebeck coefficient) can be further increased, and the crystal structure of the basic Haf-Heusler-based compound is characteristics may not be compromised.

또, 이미 상술한 바와 같이, 상기 일 구현예의 열전재료에서는, 상기 1가 금속이 상기 MgCuSb의 공지된 화합물 구조에서 Mg, Cu 및 Sb의 3종의 원소가 점유하고 남은 결정 격자의 빈자리에 첨가되어 이를 점유하여 그 결정 격자 자리를 점유할 수 있다. 이에 따라, 상기 일 구현예의 열전재료는 상기 화학식 1의 구조를 가질 수 있다. In addition, as already described above, in the thermoelectric material of one embodiment, the monovalent metal is added to the vacancy of the crystal lattice remaining after three elements of Mg, Cu, and Sb in the known compound structure of MgCuSb. By occupying it, it is possible to occupy the crystal lattice site. Accordingly, the thermoelectric material of the embodiment may have the structure of Formula 1 above.

한편, 발명의 다른 구현예에 따르면, Mg, Cu 및 Sb를 포함한 원료 물질과, Ag, Au, Na, K, Rb 및 Cs로 이루어진 군에서 선택된 1가 금속을 포함한 원료 물질을 포함하는 혼합물을 열처리하는 단계; 및 상기 열처리된 혼합물을 소결하는 단계를 포함하는 상기 열전재료의 제조 방법이 제공된다. Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, a mixture comprising a raw material including Mg, Cu and Sb and a raw material including a monovalent metal selected from the group consisting of Ag, Au, Na, K, Rb and Cs is heat-treated to do; and sintering the heat-treated mixture is provided.

이러한 제조 방법에 의해, 우수한 열전 성능을 나타내는 일 구현예의 열전재료가 적절히 제조될 수 있음이 확인되었다. 이하, 이러한 다른 구현예의 제조 방법을 각 단계별로 살피기로 한다. It was confirmed that a thermoelectric material according to an exemplary embodiment exhibiting excellent thermoelectric performance can be appropriately manufactured by such a manufacturing method. Hereinafter, the manufacturing method of these other embodiments will be looked at at each step.

먼저, 상기 제조 방법에서는, Mg, Cu 및 Sb를 포함한 원료 물질과, Ag, Au, Na, K, Rb 및 Cs로 이루어진 군에서 선택된 1가 금속을 포함한 원료 물질을 포함하는 혼합물을 형성할 수 있다. 이러한 원료 혼합물을 형성함에 있어서는, 각 대상 금속 원소를 포함하는 원료(금속 자체 또는 금속 화합물 등)를 원하는 조성비로 가한 후, 그라인딩 또는 밀링하고, 선택적으로 펠릿화하여 진행할 수 있다. 이렇게 형성된 원료 혼합물은 그 형성 공정에 따라 분말 상태, 펠릿 상태 또는 잉곳 상태 등으로 될 수 있다. First, in the manufacturing method, a mixture including a raw material including Mg, Cu and Sb and a raw material including a monovalent metal selected from the group consisting of Ag, Au, Na, K, Rb and Cs may be formed. . In forming such a raw material mixture, a raw material (metal itself or a metal compound, etc.) containing each target metal element is added in a desired composition ratio, and then, grinding or milling, and optionally pelletizing may be performed. The raw material mixture thus formed may be in a powder state, a pellet state, an ingot state, or the like depending on the formation process thereof.

이러한 원료 혼합물을 형성하고 이에 대한 열처리/반응 단계를 진행할 수 있다. 이러한 열처리 단계는 이전부터 알려진 다양한 금속 간 반응 공정에 준하는 방법으로 수행할 수 있으며, 일 예로서, 고체 상태로 형성된 위 원료 혼합물에 대해 열처리하여 반응을 진행시키는 고체상 반응에 의해 진행할 수 있다. Such a raw material mixture may be formed and a heat treatment/reaction step may be performed thereon. This heat treatment step may be performed by a method similar to various intermetallic reaction processes known before, and as an example, the above raw material mixture formed in a solid state may be heat-treated to proceed with the reaction.

그리고, 이러한 열처리 단계는, 예를 들어, 500℃ 내지 1100℃의 온도에서 진행하여, 원료 혼합물 중의 금속들을 적절히 반응시킬 수 있게 된다. 이러한 열처리 단계는 전기로 등에서 진행할 수 있으며, 진공 도는 불활성 기체 분위기 하에서 진행할 수 있다. And, this heat treatment step, for example, proceeds at a temperature of 500 ℃ to 1100 ℃, it is possible to properly react the metals in the raw material mixture. This heat treatment step may be performed in an electric furnace or the like, and may be performed in a vacuum or an inert gas atmosphere.

그리고, 상기 열처리 단계는 단일 단계로 진행될 수도 있지만, 2 단계 이상으로 나누어 진행할 수도 있다. In addition, the heat treatment step may be performed in a single step, or may be performed in two or more steps.

또한, 상기 열처리 단계 후, 또는 열처리 단계 중(예를 들어, 열처리 단계를 복수의 단계로 진행하는 경우, 이들 복수의 단계 사이)에 상기 혼합물을 분쇄하는 단계를 더 진행할 수도 있다. In addition, the step of pulverizing the mixture may be further performed after the heat treatment step or during the heat treatment step (eg, between the plurality of steps when the heat treatment step is performed in a plurality of steps).

한편, 상술한 열처리 단계 및 선택적인 분쇄 단계 후에는, 상기 열처리된 혼합물을 소결하는 단계를 진행할 수 있다. 이러한 소결 단계의 진행에 의해, 이미 상술한 일 구현예의 열전재료가 제조될 수 있다. On the other hand, after the above-described heat treatment step and optional grinding step, the step of sintering the heat-treated mixture may be performed. By the progress of this sintering step, the thermoelectric material of the above-described embodiment may be manufactured.

이러한 가압 소결 단계는 당업자에게 잘 알려진 방전 플라즈마 소결법(Spark Plasma Sintering) 또는 핫 프레싱에 의해 진행될 수 있으며, 예를 들어, 400℃ 이상의 온도 및 5 MPa 이상의 가압 하에 진행될 수 있다. This pressure sintering step may be performed by spark plasma sintering or hot pressing well known to those skilled in the art, for example, may be performed at a temperature of 400° C. or higher and under a pressure of 5 MPa or higher.

그리고, 위 소결을 진행한 후에는, 선택적으로 냉각 단계를 더 진행할 수 있다.And, after the above sintering, a cooling step may be optionally further performed.

다만, 상술한 각 반응 단계는 하프-호이슬러계 화합물 등의 금속 화합물을 형성하는 통상적인 반응 조건 및 방법에 따라 진행할 수 있고, 구체적인 반응 조건 및 방법은 후술하는 실시예에 기재되어 있으므로, 이에 관한 추가적인 설명은 생략하기로 한다. However, each of the above-described reaction steps may be carried out according to conventional reaction conditions and methods for forming a metal compound such as a Haf-Heusler-based compound, and specific reaction conditions and methods are described in Examples to be described later, so that Further description will be omitted.

한편, 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상술한 일 구현예의 열전재료를 포함하는 열전소자를 제공한다. 이러한 열전소자는 상기 일 구현예의 열전재료를 p형 또는 n형 열전재료로서 포함할 수 있으며, 이를 위해 상기 일 구현예의 열전재료서 추가적인 p형 원소 또는 n형 원소를 추가 도핑한 상태로 포함할 수 있다. 다만, 이때 사용 가능한 p형 원소 또는 n형 원소의 종류나 도핑 방법은 특히 제한되지 않으며, 이전부터 열전재료를 p형 또는 n형으로 적용하기 위해 일반적으로 사용되던 원소 및 도핑 방법을 적용할 수 있다. Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, there is provided a thermoelectric device including the thermoelectric material of the embodiment described above. Such a thermoelectric element may include the thermoelectric material of the embodiment as a p-type or n-type thermoelectric material, and for this purpose, it may include an additional p-type element or an n-type element in the thermoelectric material of the embodiment in a state in which an additional p-type element or an n-type element is additionally doped. have. However, at this time, the type or doping method of the usable p-type element or n-type element is not particularly limited, and the element and doping method that have been generally used for applying the p-type or n-type thermoelectric material before may be applied. .

상기 열전소자는 이러한 p형 또는 n형 열전재료를 소결 상태로 얻은 후, 가공 및 성형하여 형성된 열전엘리먼트를 포함할 수 있으며, 이와 함께 절연기판 및 전극을 포함할 수 있다. 이러한 열전엘리먼트, 절연기판 및 전극의 결합 구조는 통상적인 열전소자의 구조에 따를 수 있다. The thermoelectric element may include a thermoelectric element formed by processing and molding the p-type or n-type thermoelectric material in a sintered state, and may include an insulating substrate and an electrode together with the p-type or n-type thermoelectric material. The combination structure of the thermoelectric element, the insulating substrate, and the electrode may follow the structure of a conventional thermoelectric element.

또한, 상기 절연기판으로는 사파이어 기판, 실리콘 기판, 파이렉스 기판 또는 석영 기판 등을 사용할 수 있고, 전극으로는 임의의 금속 또는 도전성 금속 화합물을 포함하는 전극을 사용할 수 있다. In addition, as the insulating substrate, a sapphire substrate, a silicon substrate, a pyrex substrate, a quartz substrate, etc. may be used, and an electrode including any metal or a conductive metal compound may be used as the electrode.

상술한 열전소자는 일 구현예의 열전재료를 포함함에 따라, 우수한 열전성능을 나타낼 수 있으며, 다양한 분야 및 용도에서, 열전 냉각 시스템 또는 열전 발전 시스템 등으로 바람직하게 적용될 수 있다.As the above-described thermoelectric element includes the thermoelectric material of one embodiment, it may exhibit excellent thermoelectric performance, and may be preferably applied as a thermoelectric cooling system or a thermoelectric power generation system in various fields and uses.

본 발명에 따르면 향상된 제벡 계수 및 전기 전도도 등에 기인한 높은 열전 성능을 나타내는 하프-호이슬러계 열전재료, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 열전 소자가 제공될 수 있다. According to the present invention, a half-Heusler-based thermoelectric material exhibiting high thermoelectric performance due to improved Seebeck coefficient and electrical conductivity, a method for manufacturing the same, and a thermoelectric device including the same can be provided.

도 1은 일반적인 하프-호이슬러계 화합물의 일반적인 결정 격자 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2는 비교예 및 실시예 1 내지 3의 열전재료의 XRD 패턴으로서, 실시예 1 내지 3의 열전재료에서 Ag가 첨가됨에 따라 XRD 패턴의 특정 피크가 일부 shift됨을 나타낸다.
도 3은 비교예 및 실시예 1 내지 3의 열전재료의 온도별 전기 전도도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 비교예 및 실시예 1 내지 3의 열전재료의 온도별 제벡계수를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 비교예 및 실시예 1 내지 3의 열전재료의 온도별 출력 인자를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 비교예 및 실시예 1 내지 3의 열전재료의 온도별 열전도도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing a general crystal lattice structure of a general Haf-Heusler-based compound.
2 is an XRD pattern of the thermoelectric materials of Comparative Examples and Examples 1 to 3, and shows that certain peaks of the XRD pattern are partially shifted as Ag is added in the thermoelectric materials of Examples 1 to 3;
3 is a graph showing the comparison of electrical conductivity according to temperature of the thermoelectric materials of Comparative Examples and Examples 1 to 3;
4 is a graph showing the comparison of Seebeck coefficients for each temperature of the thermoelectric materials of Comparative Examples and Examples 1 to 3;
5 is a graph showing the comparison of output factors for each temperature of the thermoelectric materials of Comparative Examples and Examples 1 to 3;
6 is a graph showing the comparison of thermal conductivity according to temperature of the thermoelectric materials of Comparative Examples and Examples 1 to 3;

발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. The invention is described in more detail in the following examples. However, the following examples only illustrate the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following examples.

비교예: 열전재료의 제조(MgCuSb)Comparative Example: Preparation of thermoelectric material (MgCuSb)

Cu, Mg 및 Sb 분말을 준비하고, 이들을 핸드밀로 혼합하여 MgCuSb 조성의 혼합물을 형성하였다. 이러한 혼합물을 석영 튜브 내에 넣고 진공 실링하여 앰플을 만든 후, 앰플을 튜브 퍼니스 내에 위치시키고, 630℃의 온도에서 열처리하였다. 이와 같이 합성된 분말에 대해, 50MPa로 가압하고 600℃의 온도에서 7분 동안 방전 플라즈마 소결법으로 가압 소결하였다. Cu, Mg and Sb powders were prepared, and they were mixed with a hand mill to form a mixture of MgCuSb composition. This mixture was placed in a quartz tube and vacuum sealed to make an ampoule, and then the ampoule was placed in a tube furnace and heat-treated at a temperature of 630°C. The powder thus synthesized was pressurized at 50 MPa and sintered under pressure at a temperature of 600° C. for 7 minutes using a discharge plasma sintering method.

실시예 1: 열전재료의 제조(MgCuAgExample 1: Preparation of thermoelectric material (MgCuAg 0.0050.005 Sb; Ag 0.5몰% 첨가)Sb; 0.5 mol% of Ag added)

상기 비교예의 방법으로 MgCuSb의 화합물을 합성하였다. 이후, Ag 분말을 첨가하고, 핸드밀로 혼합하여 MgCuAg0.005Sb 조성의 혼합물을 형성하였다(Cu, Mg, Sb의 각 1몰 기준 Ag의 0.005몰(0.5몰%) 사용). 이러한 혼합물을 석영 튜브 내에 넣고 진공 실링하여 앰플을 만든 후, 앰플을 튜브 퍼니스 내에 위치시키고, 630℃의 온도에서 1차 열처리하였다. 1차 열처리 후 결과물을 분쇄하고, 다시 같은 온도에서 2차 열처리하였다. 이와 같이 합성된 분말에 대해, 분쇄 후 체로 분급하여 70㎛ 이하의 입경을 갖는 분말을 얻었다. A compound of MgCuSb was synthesized by the method of Comparative Example. Then, Ag powder was added and mixed with a hand mill to form a mixture of MgCuAg 0.005 Sb composition (0.005 mol (0.5 mol %) of Ag based on 1 mol of Cu, Mg, and Sb was used). This mixture was placed in a quartz tube and vacuum-sealed to make an ampoule, and then the ampoule was placed in a tube furnace and first heat treated at a temperature of 630°C. After the first heat treatment, the resultant was pulverized, and then the second heat treatment was performed again at the same temperature. The powder synthesized in this way was pulverized and classified through a sieve to obtain a powder having a particle size of 70 μm or less.

이러한 분말을 50MPa로 가압하고 600℃의 온도에서 7분 동안 방전 플라즈마 소결법으로 가압 소결하였다. This powder was pressurized to 50 MPa and sintered under pressure at a temperature of 600° C. for 7 minutes by a discharge plasma sintering method.

실시예 2: 열전재료의 제조(MgCuAgExample 2: Preparation of thermoelectric material (MgCuAg 0.010.01 Sb; Ag 1.0몰% 첨가)Sb; Ag 1.0 mol% added)

Cu, Mg, Sb의 각 1몰 기준(MgCuSb의 화합물의 1몰 기준) Ag의 0.01몰(1.0몰%)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 열전재료를 제조하였다. A thermoelectric material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.01 mol (1.0 mol%) of Ag was used based on 1 mol of Cu, Mg, and Sb (based on 1 mol of the compound of MgCuSb).

실시예 3: 열전재료의 제조(MgCuAgExample 3: Preparation of thermoelectric material (MgCuAg 0.0150.015 Sb; Ag 1.5몰% 첨가)Sb; Add 1.5 mol% of Ag)

Cu, Mg, Sb의 각 1몰 기준(MgCuSb의 화합물의 1몰 기준) Ag의 0.015몰(1.5몰%)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 열전재료를 제조하였다. A thermoelectric material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.015 mol (1.5 mol%) of Ag was used based on 1 mol of Cu, Mg, and Sb (based on 1 mol of the MgCuSb compound).

실험예Experimental example

1. XRD 패턴에 따른 상분석1. Phase analysis according to XRD pattern

실시예 1 내지 3 및 비교예에서 제조된 열전재료를 X-ray 회절 분석기(XRD)를 이용하여 상분석하여 도 2에 나타내었다.Phase analysis of the thermoelectric materials prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples using an X-ray diffraction analyzer (XRD) is shown in FIG. 2 .

도 2를 참고하면, Ag가 첨가되지 않은 비교예와 대비하여, 실시예 1 내지 3의 열전재료의 XRD 패턴에서는 low angle의 특정 피크의 shift가 확인되었다. 이는 lattice 파라미터의 증가를 나타내며, 이를 통해 결정 격자 구조에 대한 Ag의 첨가를 확인하였다. Referring to FIG. 2 , as compared to the comparative example in which Ag was not added, a shift of a specific peak at a low angle was confirmed in the XRD patterns of the thermoelectric materials of Examples 1 to 3 . This indicates an increase in the lattice parameter, confirming the addition of Ag to the crystal lattice structure.

또한, 실시예 1 내지 3에서, Ag의 첨가량이 증가할수록 상기 피크의 shift가 큰 폭으로 나타나고 있는 바, 이를 통해서도 결정 격자 구조에 대한 Ag의 첨가를 확인하였다. In addition, in Examples 1 to 3, as the amount of Ag added increased, the shift of the peak appeared to be large. This also confirmed the addition of Ag to the crystal lattice structure.

2. 전기전도도의 온도 의존성 2. Temperature dependence of electrical conductivity

실시예 1 내지 3 및 비교예에서 제조된 열전재료 시편에 대하여 전기 전도도를 온도 변화에 따라 측정하여 도 3에 나타내었다. 이러한 전기 전도도는 비저항 측정 장비인 Linseis사 LSR-3을 사용하고, 직류사탐침법을 통하여 50 내지 500℃의 온도 영역에서 측정되었다. The electrical conductivity of the thermoelectric material specimens prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples was measured according to temperature change, and is shown in FIG. 3 . Such electrical conductivity was measured in a temperature range of 50 to 500° C. by using LSR-3 manufactured by Linseis, which is a resistivity measuring device, and using a direct current probe method.

도 3에 도시된 바와 같이, 실시예는 Ag의 첨가에 따라 비교예 대비 전기 전도도의 증가가 큰 폭으로 나타남이 확인되었고, 이러한 전기 전도도의 증가는 측정 대상 모든 온도 대역에서 확인되었다. As shown in FIG. 3 , it was confirmed that the Example showed a large increase in electrical conductivity compared to the Comparative Example according to the addition of Ag, and this increase in electrical conductivity was confirmed in all temperature bands to be measured.

3. 제벡계수 측정 및 제벡계수의 온도 의존성 3. Seebeck coefficient measurement and temperature dependence of Seebeck coefficient

실시예 1 내지 3 및 비교예에서 제조된 열전재료 시편에 대하여 제벡계수(S)를 온도 변화에 따라 측정하여 도 4에 나타내었다. 이러한 제벡계수는 측정 장비 Linseis사 LSR-3을 사용하고, differential voltage/temperature technique을 적용하여 50 내지 500℃의 온도 영역에서 측정되었다. For the thermoelectric material specimens prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples, the Seebeck coefficient (S) was measured according to temperature change, and is shown in FIG. 4 . The Seebeck coefficient was measured in a temperature range of 50 to 500° C. using a measuring device, LSR-3 manufactured by Linseis, and applying a differential voltage/temperature technique.

도 4 에 도시된 바와 같이, 실시예는 Ag의 첨가에 따라 비교예 대비 제벡계수가 큰 폭으로 증가됨이 확인되었고, 이러한 제벡계수의 증가는 측정 대상 모든 온도 대역에서 확인되었다. As shown in FIG. 4 , it was confirmed that the Seebeck coefficient in the Example was significantly increased compared to the Comparative Example according to the addition of Ag, and this increase in the Seebeck coefficient was confirmed in all temperature bands to be measured.

4. 출력 인자에 대한 온도 의존성 4. Temperature dependence on output factor

실시예 1 내지 3 및 비교예에서 제조된 열전재료 시편에 대하여 출력 인자를 온도 변화에 따라 계산하여 도 5에 나타내었다. For the thermoelectric material specimens prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples, the output factors were calculated according to temperature changes and shown in FIG. 5 .

출력 인자는 Power factor(PF) = σS2 으로 정의되며, 도 3 및 도 4에 나타난 σ (전기전도도) 및 S(제벡계수)의 값을 이용하여 계산하였다. The output factor is defined as Power factor (PF) = σS 2 , and was calculated using the values of σ (electrical conductivity) and S (Seebeck coefficient) shown in FIGS. 3 and 4 .

도 5에 도시된 바와 같이, 실시예는 Ag의 첨가에 따라 비교예 대비 출력 인자가 큰 폭으로 증가됨이 확인되었고(평균 5 μW/cm·K2에서 10 μW/cm·K2으로 약 100% 향상됨), 이러한 출력 인자의 증가는 측정 대상 모든 온도 대역에서 확인되었다. As shown in FIG. 5 , it was confirmed that the output factor of the Example was significantly increased compared to the Comparative Example according to the addition of Ag (average 5 μW/cm·K 2 to 10 μW/cm·K 2 , about 100% improved), this increase in the output factor was confirmed in all temperature bands to be measured.

5. 열전도도의 온도 의존성 5. Temperature dependence of thermal conductivity

실시예 1 내지 3 및 비교예에서 제조된 열전재료 시편에 대하여 열전도도를 온도 변화에 따라 측정하여 도 6에 나타내었다. 이러한 열전도도의 측정에 있어서는, 먼저 열전도도 측정 장비인 Netzsch 사 LFA457 장비를 사용하고 레이저 섬광법을 적용하여 열확산도(D) 및 열용량(Cp)을 측정하였다. 이러한 측정 값을 식 "열전도도 (k) = DρCp (ρ는 아르키메데스법으로 측정된 샘플 밀도이다)"의 식에 적용하여 열전도도(k)를 산출하였다. The thermal conductivity of the thermoelectric material specimens prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples was measured according to temperature change and is shown in FIG. 6 . In the measurement of such thermal conductivity, first, a thermal conductivity measuring equipment, Netzsch's LFA457 equipment, was used and a laser scintillation method was applied to measure thermal diffusivity (D) and heat capacity (C p ). These measured values were applied to the formula "thermal conductivity (k) = DρC p (ρ is the sample density measured by the Archimedes method)" to calculate the thermal conductivity (k).

또, 총 열전도도(κ= κL + κE)는 격자 열전도도(κL)와 Wiedemann-Franz law(κE= L σT)에 따라 계산된 열전도도(κE)로 구분되는데, 로렌츠수(L)는 온도에 따른 제벡계수로부터 계산된 값을 사용하였다. In addition, the total thermal conductivity (κ= κ L + κ E ) is divided into lattice thermal conductivity (κ L ) and thermal conductivity (κ E ) calculated according to the Wiedemann-Franz law (κ E = L σT). (L) uses a value calculated from the Seebeck coefficient according to temperature.

도 6에 도시된 바와 같이, 실시예는 Ag의 첨가에 따라 비교예 대비 열전도도의 증가가 관찰되기는 하였으나, 측정 온도가 증가할수록 이러한 열전도도의 증가폭은 감소하여 500℃ 내외에서는 비교예와 실질적인 열전도도의 차이가 거의 없음이 확인되었다.As shown in FIG. 6 , although an increase in thermal conductivity was observed in the Example compared to the Comparative Example according to the addition of Ag, the increase in the thermal conductivity decreased as the measurement temperature increased. It was confirmed that there was almost no difference between the figures.

Claims (9)

하기 화학식 1로 표시되는 하프-호이슬러계 열전재료:
[화학식 1]
MgCuMxSb
상기 화학식 1에서, x는 M의 첨가 몰비로서 0.001 내지 0.015이고,
M은 Ag, Au, Na, K, Rb 및 Cs로 이루어진 군에서 선택된 1가 금속 원소이다.
A half-Heusler-based thermoelectric material represented by the following formula (1):
[Formula 1]
MgCuM x Sb
In Formula 1, x is 0.001 to 0.015 as an addition molar ratio of M,
M is a monovalent metal element selected from the group consisting of Ag, Au, Na, K, Rb and Cs.
제 1 항에 있어서, 상기 1가 금속은 상기 Mg 의 1몰에 대해 0.001 내지 0.015몰의 비율로 첨가되어 있는 하프-호이슬러계 열전재료.
The half-Heusler-based thermoelectric material according to claim 1, wherein the monovalent metal is added in a ratio of 0.001 to 0.015 moles based on 1 mole of Mg.
Mg, Cu 및 Sb를 포함한 원료 물질과, Ag, Au, Na, K, Rb 및 Cs로 이루어진 군에서 선택된 1가 금속을 포함한 원료 물질을 포함하는 혼합물을 열처리하는 단계; 및
상기 열처리된 혼합물을 소결하는 단계를 포함하는 제 1 항의 열전재료의 제조 방법.
heat-treating a mixture including a raw material including Mg, Cu and Sb and a raw material including a monovalent metal selected from the group consisting of Ag, Au, Na, K, Rb and Cs; and
The method for manufacturing the thermoelectric material of claim 1, comprising the step of sintering the heat-treated mixture.
제 3 항에 있어서, 상기 열처리 단계는 고체상 반응에 의해 진행되는 열전재료의 제조 방법.
The method of claim 3 , wherein the heat treatment is performed by a solid phase reaction.
제 3 항에 있어서, 상기 열처리 단계는 500℃ 이상의 온도에서 진행되는 열전재료의 제조 방법.
The method of claim 3 , wherein the heat treatment is performed at a temperature of 500° C. or higher.
제 3 항에 있어서, 상기 소결 단계는 방전 플라즈마 소결법 또는 핫 프레싱에 의해 진행되는 열전재료의 제조 방법.
The method of claim 3 , wherein the sintering step is performed by a discharge plasma sintering method or hot pressing.
제 3 항에 있어서, 상기 소결 단계는 400℃ 이상의 온도 및 5MPa 이상의 압력 하에서 진행되는 열전재료의 제조 방법.
The method of claim 3 , wherein the sintering step is performed at a temperature of 400° C. or higher and a pressure of 5 MPa or higher.
제 3 항에 있어서, 상기 열처리 단계 후, 또는 열처리 단계 중에 상기 혼합물을 분쇄하는 단계를 더 포함하는 열전재료의 제조 방법.
The method of claim 3, further comprising pulverizing the mixture after the heat treatment step or during the heat treatment step.
제1항 또는 제 2 항의 열전재료를 포함하는 열전 소자.A thermoelectric element comprising the thermoelectric material of claim 1 or 2.
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