KR102372437B1 - 육각판상형 나노구조를 가지는 a2b3 계 열전재료 및 이의 제조방법 - Google Patents

육각판상형 나노구조를 가지는 a2b3 계 열전재료 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102372437B1
KR102372437B1 KR1020170144409A KR20170144409A KR102372437B1 KR 102372437 B1 KR102372437 B1 KR 102372437B1 KR 1020170144409 A KR1020170144409 A KR 1020170144409A KR 20170144409 A KR20170144409 A KR 20170144409A KR 102372437 B1 KR102372437 B1 KR 102372437B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
solution
thermoelectric material
series
hexagonal plate
metal precursor
Prior art date
Application number
KR1020170144409A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190049020A (ko
Inventor
이지은
구보근
김민수
김봉서
김인성
류병기
민복기
박수동
안종견
이희웅
임혜진
정순종
정재환
주성재
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Priority to KR1020170144409A priority Critical patent/KR102372437B1/ko
Publication of KR20190049020A publication Critical patent/KR20190049020A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102372437B1 publication Critical patent/KR102372437B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/85—Thermoelectric active materials
    • H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H01L35/14—
    • H01L35/16—
    • H01L35/18—
    • H01L35/24—
    • H01L35/34—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/85—Thermoelectric active materials
    • H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/852—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising tellurium, selenium or sulfur
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/85—Thermoelectric active materials
    • H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/853—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising arsenic, antimony or bismuth
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/85—Thermoelectric active materials
    • H10N10/856—Thermoelectric active materials comprising organic compositions

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

본 발명은 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전재료를 합성하는 공정에서 반응조건을 조절하여 결정방향 C축에 수직된 방향으로 성장된 방향성을 가지는 열전재료를 합성하며, 이를 통해 열전도도가 저하되고 열전변환 효율이 상승되도록 방향성에 따른 배열이 가능한 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 제조방법에 있어서, 제1 금속전구체를 유기용매에 균일하게 분산하여 제1 용액을 생성하고, 제2 금속전구체를 유기용매에 균일하게 분산하여 제2 용액을 생성하는 분산단계, 상기 제1 용액 및 상기 제2 용액 중 어느 하나에 고분자물질을 용해시키는 용해단계, 상기 제1 용액 및 상기 제2용액을 염기성용액과 균일하게 혼합하여 혼합용액을 제조하는 혼합단계 및 상기 혼합용액을 용매열 반응기에 넣고 가열하는 가열단계를 포함한다.

Description

육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 및 이의 제조방법 {A2B3 BASED THERMOELECTRIC MATERIALS HAVING NANO STRUCTURED HEXAGONAL PLATE-TYPE AND MANUFACTURING METHOD THE SAME}
본 발명은 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전재료를 합성하는 공정에서 반응조건을 조절하여 결정방향 C축에 수직된 방향으로 성장된 방향성을 가지는 나노구조의 열전재료를 합성하며, 이를 통해 열전도도가 저하되고 열전변환 효율이 상승되는 방향으로 배열이 가능한 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
열전현상이란 열전물질의 양단에 온도차가 있으면 기전력이 발생하거나 (제벡 효과), 또는 열전물질의 양단에 전압차를 주어 전류를 흐르게 하면 한 쪽의 온도는 하강하는 반면에 다른 쪽의 온도는 상승하는 (펠티어 효과) 현상을 지칭하며, 열전소재는 열전현상이 강하게 발생하는 물질이다. 열전소재는 전기를 온도차이로 변환시켜 냉각에 사용할 수도 있고 온도차이를 전기로 변환시켜 발전용으로도 사용 가능하다. 열전변환특성은 무차원 성능지수(dimensionless figure of merit) ZT로 정량적으로 표현할 수 있으며 식은 다음과 같다.
<식 1> : ZT = S2T/ρκ
(T : 절대온도 (K), S : 제벡계수 (V/K), ρ : 열전소재의 비저항 (Ω·cm), κ : 열전소재의 열전도도 (W/K·cm))
ZT값이 클수록 열전변환특성이 우수하며, ZT는 제벡계수가 클수록, 비저항과 열전도도가 낮을수록 증가한다.
위의 식에 따르면 열전도도가 낮을수록 열전변환 효율이 높아진다. 알려진 바로는 입자의 크기가 작을수록 계면에 의한 포논 산란이 증가하여 열전도도가 낮아지게 되므로 작은 입자를 만드는 연구들이 많이 진행되어 왔다.
열전 입자의 크기를 작게 만드는 방법은 크게 두 가지로서 한 가지는 기계적인 핸드밀링 또는 볼밀링을 이용한 파쇄방법을 이용하는 것이다. 그러나 이러한 방법으로 만들어진 입자는 사이즈가 수십 마이크로 사이즈이므로 상당히 큰 편이다.
따라서 열전입자를 작게 만들기 위해 화학적으로 합성하는 방법이 연구되었다. 대표적인 열전소재인 비스무스 텔룰라이드를 화학적으로 합성하기 위하여 비스무스 클로라이드(BiCl3)와 텔루륨(Te) 분말을 녹인 후 환원시켜 열전물질인 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 나노입자를 형성하는 방법이 보고되었다. 또한 Bi, Sb 및 Te 전구체를 용매에 투입하여 Bi-Sb-Te 용액을 제조하여 삼원계 열전물질을 만들기도 한다. 또한 용매열 합성법을 이용하여 나노튜브 모양으로 합성하기도 하며, microwave heating을 통하여 Bi2Te3 나노구조를 합성하기도 한다 Bi2Te3의 결정구조는 육방정구조(hexagonal)로서 공간군은 R3m이고, 아래 그림과 같다. Bi 및 Te이 Te(1)-Bi-Te(2)-Bi-Te(1)의 5개 원자로 이루어진 적층배열을 기본으로 하여 육방정 구조의 c축 방향으로 적층되어 있다. 이때 Te(1)-Te(1) 결합은 반데르발스(van der Waals) 결합으로 알려져 있고, 그 외의 결합은 공유결합 및 이온결합이 혼재되어 있다. 실험적으로 전기적물성 및 열적물성은 이방성을 갖는 것으로 알려져 있다. 예를 들어 전기전도도 및 열전도도는 육방정구조에서 기저면 방향과 평행한 방향의 전기전도도 및 열전도도가 c축 방향에 비하여 크다. 이는 Sb2Te3, Bi2Se3 등의 같은 구조를 가지는 물질에서도 동일하다.
따라서 물질의 결정 방향성은 유지하면서 나노크기를 가지는 입자의 합성을 하고 이를 결정 방향에 따라 배열한다면 방향에 따라 향상된 열전변환 성능을 가지는 열전소재를 만들 수 있으나 종래의 나노입자 합성물은 구형의 모양으로 방향성에 따라 배열하기 어려운 실정이다.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
대한민국 특허 제10-2014-0129597호 대한민국 특허 제10-2013-0017589호
본 발명의 기술적 과제는, 배경기술에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 더욱 상세하게는 열전재료를 합성하는 공정에서 반응조건을 조절하여 결정방향 C축에 수직된 방향으로 성장된 방향성을 가지는 열전소자를 합성하며, 이를 통해 열전도도가 저하되고 열전변환 효율이 상승되는 방향으로 배열이 가능한 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
기술적 과제를 해결하기 위해 안출된 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 제조방법은 제1 금속전구체를 유기용매에 균일하게 분산하여 제1 용액을 생성하고, 제2 금속전구체를 유기용매에 균일하게 분산하여 제2 용액을 생성하는 분산단계, 상기 제1 용액 및 상기 제2 용액 중 어느 하나에 고분자물질 및 계면활성제물질 중 적어도 어느 하나를 용해시키는 용해단계, 상기 제1 용액 및 상기 제2용액을 염기성 용액과 균일하게 혼합하여 혼합용액을 제조하는 혼합단계 및 상기 혼합용액을 용매열 반응기에 넣고 가열하는 가열단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 금속전구체 및 상기 제2 금속전구체는, 비소(As) 계열, 비스무트(Bi) 계열, 안티몬(Sb) 계열, 텔루륨(Te) 계열, 셀레늄(Se) 및 이의 혼합으로 이루어진 계열로부터 선택되는 것이 바람직할 수 있다.
이때, 상기 제1 금속전구체는, 비소(As) 계열, 비스무트(Bi) 계열, 안티몬(Sb) 계열 및 이의 혼합으로 이루어진 계열로부터 선택되고, 상기 제2 금속전구체는, 텔루륨(Te) 계열, 셀레늄(Se) 계열 및 이의 혼합으로부터 이루어진 계열로 선택되는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 상기 유기용매는, 에틸렌글리콜(ethyelene glycol), 디에틸렌글리콜(diethyelene glycol), 올레익산(oleic acid), 올레일아민(oleylamine), 에틸렌다이아민(ethylenediamine) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리에틸렌옥사이드(Poly ethylene oxide, PEO), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl acetate, PVAc), 폴리에틸렌이민(polyethylene imine, PEI) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직할 수 있다.
여기서, 상기 가열단계는, 100 내지 300℃ 사이에서 가열되는 것이 바람직할 수 있다.
이때, 상기 가열단계는, 1 내지 100시간 동안 가열되는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전소자는, 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전소자에 있어서, 결정방향의 C축에 수직으로 성장하여 육각판상형 구조로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 및 이의 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료를 합성하는 공정에서 반응조건을 조절하여, 결정방향 C축에 수직된 방향으로 성장된 방향성을 가지는 나노크기의 열전재료를 얻을 수 있다.
따라서, 나노크기로 인한 열전도도 저하 효과 및 방향성에 따른 열전변환 효율 상승 효과를 얻을 수 있다.
이러한 본 발명에 의한 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료 제조방법의 일 실시예에 따른 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료에서 Bi2Te3 열전재료의 전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료에서 Bi2Te3 열전재료의 X선 회절분석 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료에서 Sb2Te3 열전재료의 전자현미경 사진이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료의 제1 금속전구체 및 제2 금속전구체의 종류 조절에 따른 A2B3계 열전재료 전자현미경 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
아울러, 본 발명을 설명하는데 있어서, 전방/후방 또는 상측/하측과 같이 방향을 지시하는 용어들은 당업자가 본 발명을 명확하게 이해할 수 있도록 기재된 것들로서, 상대적인 방향을 지시하는 것이므로, 이로 인해 권리범위가 제한되지는 않는다고 할 것이다.
도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 및 이의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료 제조방법의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료에서 Bi2Te3 열전재료의 전자현미경 사진이며, 도 3은 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료에서 Bi2Te3 열전재료의 X선 회절분석 사진이고, 도 4는 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료에서 Sb2Te3 열전재료의 전자현미경 사진이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료 제조방법은 분산단계(S10), 용해단계(S20), 혼합단계(S30) 및 가열단계(S40)를 포함할 수 있다.
분산단계(S10)는 제1 금속전구체를 유기용매에 균일하게 분산하여 제1 용액을 생성하고, 제2 금속전구체를 유기용매에 균일하게 분산하여 제2 용액을 생성하는 단계이다.
여기서, 제1 금속전구체 및 제2 금속전구체는, 비소(As) 계열, 비스무트(Bi) 계열, 안티몬(Sb) 계열, 텔루륨(Te) 계열, 셀레늄(Se) 계열 및 이의 혼합으로 이루어진 계열로부터 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 제1 금속전구체 및 상기 제2 금속전구체는 계열 중에서 선택된 금속의 질산염, 염화물, 산화물, 아세트산염일 수 있다.
보다 구체적으로, 예를 들면, 비소(As) 계열로는 As, As2O3, AsCl3, As2O5, AsI3, As2S5, As2S2, NaAsO2, KH2AsO4 등을 사용할 수 있고, 비스무트(Bi) 계열로는 Bi, Bi(NO3)3, BiCl3, BiBr3, BiI3, BiF3, Bi2O3 등을 사용할 수 있으며, 안티몬(Sb) 계열로는 Sb, Sb(NO3)3, SbCl3, SbCl5, SbBr3, SbF3, SbO2 등을 사용할 수 있다.
또한, 텔루륨(Te) 계열로는 Te, Na2TeO3, Na2TeO4, K2TeO3, Te(OC2H5)4, H6TeO6, TeCl4, H2TeO3, H2TeO4, TeCl2·2SC(NH2)2, TeBr4, TeI4, TeO2 등을 사용할 수 있으며, 셀레늄(Se) 계열로는 Se, Na2SeO3, K2SeO3, SeCl2·2SC(NH2)2, SeBr4, SeCl4, SeI4 SeO2 등을 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 금속전구체 및 제2 금속전구체는, 비소(As) 계열, 비스무트(Bi) 계열, 안티몬(Sb) 계열, 텔루륨(Te) 계열, 셀레늄(Se) 계열 및 이의 혼합으로 이루어진 계열로부터 선택되는 것이 바람직할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 후술하는 용해단계(S20), 혼합단계(S30) 및 가열단계(S40) 공정을 통해 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전소자를 형성할 수 있다면 본 실시예에 제한되지 않고 다양할 수 있다.
그리고, 상기 제1 금속전구체는, 비소(As) 계열, 비스무트(Bi) 계열, 안티몬(Sb) 계열 및 이의 혼합으로 이루어진 계열로부터 선택되고, 상기 제2 금속전구체는, 텔루륨(Te) 계열, 셀레늄(Se) 계열 및 이의 혼합으로부터 이루어진 계열로 선택되는 것이 바람직할 수 있다.
즉, 상기 제1 금속전구체 및 상기 제2 금속전구체는, 비소-텔루륨(As-Te) 계열, 비소-셀레늄(As-Se) 계열, 비스무트-텔루륨(BI-Te) 계열, 비스무트-셀레늄(Bi-Se) 계열, 안티몬-텔루륨(Sb-Te) 계열, 안티몬-셀레늄(Sb-Se) 계열 군 중 어느 하나를 형성하도록 각각 선택될 수 있다. 또한, 비스무트-안티몬-텔루륨 (Bi-Sb-Te) 계열, 비스무트-텔루륨-셀레늄 (Bi-Te-Se)과 같이 세가지 이상의 금속을 포함하는 물질을 형성하도록 각각 선택될 수 있다.
한편, 상기 유기용매는 에틸렌글리콜(ethyelene glycol), 디에틸렌글리콜(diethyelene glycol), 올레익산(oleic acid), 올레일아민(oleylamine), 에틸렌다이아민(ethylenediamine) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하며, 이외에도 상기 제1 금속전구체 및 상기 제2 금속전구체를 균일하게 분산하며, 후술하는 용해단계(S20), 혼합단계(S30) 및 가열단계(S40) 공정을 통해 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료를 형성할 수 있다면 본 실시예에 제한되지 않고 다양할 수 있다.
이때, 상기 유기용매는 끊는점 100~300℃ 사이를 가지는 유기용매인 것이 바람직할 수 있다.
용해단계(S20)는 상기 제1 용액 및 상기 제2 용액 중 어느 하나에 고분자물질 및 계면활성제 물질 중 적어도 어느 하나를 용해시키는 단계이다.
고분자물질 또는 계면활성제 물질은 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리에틸렌옥사이드(Poly ethylene oxide, PEO), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl acetate, PVAc), 폴리에틸렌이민(polyethylene imine, PEI) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하며, 후술하는 혼합단계(S30) 및 가열단계(S40) 공정을 통해 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료를 형성할 수 있다면 본 실시예에 제한되지 않고 다양할 수 있다.
혼합단계(S30)는 상기 제1 용액 및 상기 제2 용액을 염기성용액과 균일하게 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계이다.
즉, 제1 용액 및 상기 제2 용액을 염기성용액과 혼합하여 제1 금속전구체, 제2 금속전구체, 고분자물질 및 염기성물질이 혼합된 혼합용액을 제조하는 단계일 수 있다.
여기서, 전술한 혼합단계(S30)는 염기성용액을 준비하는 준비과정을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 염기성용액은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화암모늄 등의 염기 용액일 수 있으며, 수용액일 수 있고 유기용매 용액일 수 있으며, 염기성용액이 상기 제1 용액 및 상기 제2 용액과 균일하게 혼합되며 후술하는 가열단계(S40) 공정을 통해 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료를 형성할 수 있다면 본 실시예에 제한되지 않고 다양할 수 있다.
가열단계(S40)는 상기 혼합용액을 용매열 반응기(Teflon-lined hydrothermal reactor)에 넣고 가열하는 단계이다.
이때, 상기 가열단계(S40)는, 100 내지 300℃ 사이에서 가열되는 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 상기 가열단계(S40)는,1 내지 100시간 동안 가열되는 것이 바람직할 수 있다.
전술한 제조방법을 통해, 결정방향 C축에 수직된 방향으로 성장된 방향성을 가지는 나노크기의 열전재료를 얻을 수 있으며, 따라서, 나노크기로 인한 열전도도 저하 효과 및 방향성에 따른 열전변환 효율 상승 효과를 얻을 수 있다.
즉, 열전재료를 합성하는 공정에서 반응조건을 조절하여 결정방향 C축에 수직된 방향으로 성장된 방향성을 가지는 열전재료를 합성하며, 이를 통해 열전도도가 저하되고 열전변환 효율이 상승되도록 방향성에 따른 배열이 가능한 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료를 얻을 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 좀 더 상세하게 설명하기로 한다.
<제1 실시예>
제1 금속전구체로 비스무스 클로라이드(BiCl3, Bismuth chloride) 1 mmol을 준비하고, 제2 금속전구체로 소듐텔루라이트(Na2TeO3, Sodium tellurite) 1.5 mmol을 준비한다.
그리고, 제1 금속전구체 및 제2 금속전구체를 10 mL 의 유기용매 에틸렌글리콜(ethylene glycol)에 용해시시켜 제1 용액 및 제2 용액을 준비한다.
이어서, 소듐하이드록사이드 (NaOH) 8 mmol을 10 mL 의 유기용매 에틸렌글라이콜(ethylene glycol)에 용해시켜 염기성용액을 준비한다.
그리고, 고분자물질 폴리비닐피롤리돈 (Polyvinyl Pyrrolidone, PVP, 분자량 40000) 5.5 μmol을 상기 제1 용액인 비스무스 클로라이드 용액에 녹인다.
상기 세 가지 용액을 모두 혼합한 후 혼합용액을 용매열 반응기(Teflon-lined hydrothermal reactor)에 넣고 180도에서 36시간 가열한다.
이 후 얻어진 결과물을 원심분리기로 분리하고 에탄올로 세척한 후 건조하는 과정을 통해, 도 2와 같이 육각판상형 나노구조를 가지는 비스무스 텔룰라이드 (Bi2Te3) 열전재료를 합성하였다.
그리고, 도 3을 참고하면, 결정방향 C축에 수직된 방향으로 성장된 방향성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
즉, 결정방향 C축에 수직된 방향으로 성장된 방향성을 가지는 육각판상형 나노구조를 가지는 비스무스 텔룰라이드 (Bi2Te3) 열전재료를 합성하였다.
<제2 실시예>
제1 금속전구체로 안티모니 클로라이드 (SbCl3, Antimony chloride) 1 mmol을 준비하고, 제2 금속전구체로 포타슘 텔룰라이드 (K2TeO3, Potassium Tellurite) 1.5 mmol을 준비한다.
그리고, 제1 금속전구체 및 제2 금속전구체를 각각 6 mL의 유기용매 디에틸렌글리콜(diethylene glycol)에 용해시켜 제1 용액 및 제2 용액을 준비한다.
이어서, 폴리비닐피롤리돈 (Polyvinyl Pyrrolidone, PVP, 분자량 40000) 0.2 g을 6 mL의 유기용매 디에틸렌글라이콜(diethylene glycol)에 용해시킨 고분자물질을 준비한다.
상기 제1 용액 및 상기 제2 용액 중 어느 하나에 상기 고분자물질을 용해시킨다.
그리고, 소듐하이드록사이드 수용액 (NaOH, 4 M) 염기성용액을 준비한다.
상기 세 가지 용액을 모두 혼합한 후 혼합용액을 용매열 반응기(Teflon-lined hydrothermal reactor)에 넣고 130도에서 24시간 가열한다.
이 후 얻어진 결과물을 원심분리기로 분리하고 에탄올로 세척한 후 건조하는 과정을 통해, 도 4와 같이 육각판상형 나노구조를 가지는 안티모니 텔룰라이드 (Sb2Te3) 열전재료를 합성하였다.
즉, 결정방향 C축에 수직된 방향으로 성장된 방향성을 가지는 육각판상형 나노구조를 가지는 안티모니 텔룰라이드 (Sb2Te3) 열전재료를 합성하였다.
한편, 도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료의 제1 금속전구체 및 제2 금속전구체의 종류 조절에 따른 A2B3계 열전재료 전자현미경 사진이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 전술한 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료 제조방법의 일 실시예에서 제1 금속전구체 및 제2 금속전구체의 종류를 조절하여 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료를 합성하였다.
여기서, 제1 금속전구체 및 제2 금속전구체를 제외한 제조방법은 전술한 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료 제조방법의 일 실시예와 동일한 제조방법이므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
예를 들어, 제1 금속전구체는 Sb2O3이고, 제2 금속전구체는 TeO2인 경우, 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료 제조방법에 따르면 도 5와 같이 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료를 얻을 수 있다.
그리고, 제1 금속전구체는 SbCl3이고, 제2 금속전구체는 Na2TeO3인 경우, 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료 제조방법에 따르면 도 6과 같은 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료를 얻을 수 있다.
또한, 제1 금속전구체는 SbCl3이고, 제2 금속전구체는 K2TeO3인 경우, 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료 제조방법에 따르면 도 7과 같은 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3계 열전재료를 얻을 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 제조방법으로 제조되는 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료에 있어서, 결정방향의 C축에 수직으로 성장하여 육각판상형 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료를 얻을 수 있다.
따라서, 나노크기로 인한 열전도도 저하 효과 및 방향성에 따른 열전변환 효율 상승 효과를 얻을 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
S10: 분산단계
S20: 용해단계
S30: 혼합단계
S40: 가열단계

Claims (8)

  1. 제1 금속전구체를 유기용매에 균일하게 분산하여 제1 용액을 생성하고, 제2 금속전구체를 유기용매에 균일하게 분산하여 제2 용액을 생성하는 분산단계;
    고분자물질을 유기용매에 용해시키는 고분자물질 용액 제조단계;
    상기 제1 용액과 상기 고분자물질 용액을 혼합한 제1 혼합용액 제조단계;
    상기 제1 혼합용액 및 상기 제2 용액을 염기성용액과 균일하게 혼합하여 제2 혼합용액을 제조하는 혼합단계; 및
    상기 제2 혼합용액을 용매열 반응기에 넣고 가열하는 가열단계;를 포함하되,
    상기 제1 금속전구체는,
    안티몬(Sb) 계열 금속의 질산염, 염화물, 산화물 및 아세트산염으로부터 선택되고,
    상기 제2 금속전구체는,
    텔루륨(Te) 계열 금속의 질산염, 염화물, 산화물 및 아세트산염으로부터 선택되며,
    상기 제1 금속전구체와 상기 제2 금속전구체의 몰비율은 1:1.5이고,
    상기 가열단계는, 130 내지 180℃ 사이에서 가열되고,
    결정방향의 C축에 수직으로 성장하여 육각판상형 나노구조를 가지는, A2B3 계 열전재료 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 안티몬(Sb) 계열의 질산염, 염화물, 산화물 및 아세트산염은, Sb(NO3)3, SbCl3, SbCl5, SbBr3, SbF3, 및 SbO2를 포함하고,
    상기 텔루륨(Te) 계열의 질산염, 염화물, 산화물 및 아세트산염은, Na2TeO3, Na2TeO4, K2TeO3, Te(OC2H5)4, H6TeO6, TeCl4, H2TeO3, H2TeO4, TeCl2·2SC(NH2)2, TeBr4, TeI4, 및 TeO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유기용매는,
    에틸렌글리콜(ethyelene glycol), 디에틸렌글리콜(diethyelene glycol), 올레익산(oleic acid), 올레일아민(oleylamine), 에틸렌다이아민(ethylenediamine) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고분자물질은,
    폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리에틸렌옥사이드(Poly ethylene oxide, PEO), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl acetate, PVAc), 폴리에틸렌이민(polyethylene imine, PEI) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가열단계는,
    1 내지 100시간 동안 가열되는 것을 특징으로 하는 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료 제조방법.
  8. 제1항의 방법으로 제조되어,
    결정방향의 C축에 수직으로 성장하여 육각판상형 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 육각판상형 나노구조를 가지는 A2B3 계 열전재료.
KR1020170144409A 2017-11-01 2017-11-01 육각판상형 나노구조를 가지는 a2b3 계 열전재료 및 이의 제조방법 KR102372437B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170144409A KR102372437B1 (ko) 2017-11-01 2017-11-01 육각판상형 나노구조를 가지는 a2b3 계 열전재료 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170144409A KR102372437B1 (ko) 2017-11-01 2017-11-01 육각판상형 나노구조를 가지는 a2b3 계 열전재료 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190049020A KR20190049020A (ko) 2019-05-09
KR102372437B1 true KR102372437B1 (ko) 2022-03-08

Family

ID=66545379

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170144409A KR102372437B1 (ko) 2017-11-01 2017-11-01 육각판상형 나노구조를 가지는 a2b3 계 열전재료 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102372437B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111644636B (zh) * 2020-06-12 2022-09-30 陕西师范大学 一种高温液相可控合成锑纳米片的方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011022189A2 (en) * 2009-08-17 2011-02-24 Laird Technologies, Inc. Synthesis of silver, antimony, and tin doped bismuth telluride nanoparticles and bulk bismuth telluride to form bismuth telluride composites
KR101300141B1 (ko) 2011-08-11 2013-08-26 재단법인대구경북과학기술원 ＢｉｘＳｂ2-ｘＴｅ3 나노화합물 열전재료 제조방법 및 이에 따른 나노화합물 열전재료
KR101473751B1 (ko) 2013-04-30 2014-12-18 재단법인대구경북과학기술원 BixSb2-xTe3 나노화합물 열전재료의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 나노화합물 열전재료
KR102097063B1 (ko) * 2013-05-28 2020-04-06 삼성전자주식회사 열전재료, 이를 포함하는 열전소자 및 열전장치, 및 이의 제조방법
KR101768274B1 (ko) * 2014-08-13 2017-08-14 주식회사 엘지화학 연속식 공정을 이용한 비스무스 텔루라이드 나노입자 제조 방법 및 비스무스 텔루라이드 나노입자

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. Takashiri et al. Role of stirring assist during solvothermal synthesis for preparing single-crystal bismuth telluride hexagonal nanoplates. Mater. Chem. Phys.. 2016, pp. 213-218 (2016.02.10)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190049020A (ko) 2019-05-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nandihalli et al. Energy‐saving pathways for thermoelectric nanomaterial synthesis: Hydrothermal/solvothermal, microwave‐assisted, solution‐based, and powder processing
KR101409505B1 (ko) 은, 안티몬 및 주석이 도핑된 텔루르화 비스무트 나노입자의 합성 및 텔루르화 비스무트 복합재를 형성하기 위한 벌크 텔루르화 비스무트
JP4715953B2 (ja) ナノコンポジット熱電変換材料、それを用いた熱電変換素子およびナノコンポジット熱電変換材料の製造方法
US20120145212A1 (en) Synthesis of silver, antimony, and tin doped bismuth telluride nanoparticles and bulk bismuth telluride to form bismuth telluride composites
KR102566232B1 (ko) 판상형 구조를 가지는 안티몬텔룰라이드 열전재료 및 그 제조방법
Min et al. Solution-based synthesis of anisotropic metal chalcogenide nanocrystals and their applications
KR101902925B1 (ko) 열전재료, 열전소자 및 열전모듈
JP2018525304A (ja) 金属カルコゲナイドナノ材料を調製するための水性ベースの方法
JP2011249749A (ja) 熱電材料とそれを原料とした複合材料及びその製造方法
KR20110049580A (ko) 나노복합체형 열전재료, 이를 포함하는 열전모듈과 열전 장치
KR101346325B1 (ko) 코어-쉘 구조 나노소재를 이용한 열전재료의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 열전재료
Ali et al. Nanowire-based thermoelectrics
Finefrock et al. Thermoelectric properties of solution synthesized nanostructured materials
KR102097063B1 (ko) 열전재료, 이를 포함하는 열전소자 및 열전장치, 및 이의 제조방법
Chauhan et al. Scalable colloidal synthesis of Bi 2 Te 2.7 Se 0.3 plate-like particles give access to a high-performing n-type thermoelectric material for low temperature application
KR102372437B1 (ko) 육각판상형 나노구조를 가지는 a2b3 계 열전재료 및 이의 제조방법
KR102176589B1 (ko) 열전재료, 이를 포함하는 열전소자 및 열전장치, 및 이의 제조방법
KR101068964B1 (ko) 열전재료 및 화학적 공정에 의한 열전재료 제조방법
CN104953020B (zh) 声子散射材料、纳米复合热电材料及其制造方法
US8865501B2 (en) Method of fabricating thermoelectric material and thermoelectric material fabricated thereby
KR101142917B1 (ko) 열전나노복합분말의 제조방법
CN103733365A (zh) 纳米复合热电转换材料及其制造方法
KR101409404B1 (ko) 열전재료의 제조방법 및 그에 따라 제조된 열전재료
Bai et al. Synthesis of various metal selenide nanostructures using the novel selenium precursor 1, 5-bis (3-methylimidazole-2-selone) pentane
KR102046142B1 (ko) 열안정성이 개선된 열전 파우더, 열전 재료 및 그 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant