KR102401917B1 - Thermoelectric Material Composition for Thermoelectric Element and Thermoelectric Element including the same - Google Patents

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엘지이노텍 주식회사
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    • H01L35/18
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Abstract

본 발명의 실시예는, 벌크상의 결정성 열전재료 매트릭스; 및 상기 열전재료 매트릭스 내부에 포함된 비구형 분말과 구형 분말의 혼합물인 열전재료를 포함하는 열전소자용 열전재료 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 열전소자의 P/N cell로 활용되는 열전 재료의 분말 형상을 조절하여 기존의 나노벌크구조의 소재와 대비하여 Power Factor가 개선된 열전소자용 열전재료 조성물 및 형상이 다른 두 가지 분말 재료를 혼합하여 열전재료 조성물을 구성함으로써, 전기전도도 및 제백계수는 상승하고 열전도도는 낮아져 펠티어 효과를 극대화한 열전소자를 제공할 수 있다.
An embodiment of the present invention, a bulk-phase crystalline thermoelectric material matrix; and a thermoelectric material that is a mixture of a non-spherical powder and a spherical powder included in the thermoelectric material matrix.
According to the present invention, the thermoelectric material composition for a thermoelectric element with improved power factor compared to the existing nano-bulk structure material by controlling the powder shape of the thermoelectric material used as the P/N cell of the thermoelectric element, and two types of thermoelectric material having different shapes By mixing powder materials to form a thermoelectric material composition, electrical conductivity and Seebeck coefficient are increased and thermal conductivity is lowered, thereby providing a thermoelectric device maximizing the Peltier effect.

Description

열전소자용 열전재료 조성물 및 이를 포함한 열전소자{Thermoelectric Material Composition for Thermoelectric Element and Thermoelectric Element including the same}Thermoelectric Material Composition for Thermoelectric Element and Thermoelectric Element including the same

본 발명의 실시예는 열전소자용 열전재료 조성물 및 이를 포함한 열전소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전재료의 구성을 조절함으로써 Power Factor 등의 열전소재의 성능을 향상시킨 열전소자용 열전재료 조성물 및 이를 포함한 열전소자에 관한 것이다.
An embodiment of the present invention relates to a thermoelectric material composition for a thermoelectric element and a thermoelectric element including the same, and more particularly, a thermoelectric material composition for a thermoelectric element in which the performance of a thermoelectric material such as a power factor is improved by controlling the configuration of the thermoelectric material, and It relates to a thermoelectric element including the same.

열전재료란 재료의 양단간에 온도차를 주었을 때 전압이 방생하고, 반대로 직류전류를 통했을 때는 냉각 또는 가열되는 특성을 갖는 재료이다. 열을 전기로 변환, 전기로 열을 발생 또는 제거한다는 의미에서 열전변환재료라고도 한다. 열전냉각소자는 에너지 변환재료인 열전반도체를 기본 재료로 사용하는 반도체 및 전자통신 분야를 비롯한 산업기술분야에 강력하고 효과적인 온도제어 솔루션을 제공한다. 열전소자원리로 열전소자 n, p type 열전반도체를 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결 모양의 형태로 접합하여 사용된다. 직류전류를 흘렸을 때는 열전효과에 의하여 소자의 양면에 온도차이를 주면 전기가 발생하여 발전기능을 얻을 수 있다. 열전냉각소자란 펠티어(Peltier) 현상에 의해 나타나는 냉각효과를 이용하는 고체식힛펌프(solid state heat pump)를 일컫는다, 열전소자는 250000시간 이상 동안 무리없이 사용할 수 있는 고신뢰성 제품으로서 냉각속도가 빠르며 전류의 방향에 따라 흡열, 발열을 바꿀 수 있어 정확한 온도 조절이 가능하여 항온장치용으로 응용 가능하다. 현재 열전소자의 재료는 Bi2Te3, PbTe, SiGe등의 재료가 사용되고 있다 향후 열전소자에 기반을 둔 응용분야가 대폭 확대될 것으로 전망된다.A thermoelectric material is a material that generates a voltage when a temperature difference is applied between both ends of the material, and is cooled or heated when a direct current is passed through it. It is also called thermoelectric conversion material in the sense that it converts heat into electricity and generates or removes heat with electricity. Thermoelectric cooling devices provide a powerful and effective temperature control solution to industrial technology fields including semiconductors and electronic communication fields that use a thermoelectric semiconductor, an energy conversion material, as a basic material. Using the principle of thermoelectric elements, thermoelectric elements n and p type thermoelectric semiconductors are used by joining them in the form of a connection electrically in series and thermally in parallel. When a direct current is passed, if a temperature difference is applied to both sides of the element due to the thermoelectric effect, electricity is generated and the power generation function can be obtained. A thermoelectric cooling device refers to a solid state heat pump that uses the cooling effect caused by the Peltier phenomenon. The thermoelectric device is a highly reliable product that can be used for over 250000 hours without unreasonable cooling speed and Heat absorption and heat generation can be changed according to the direction, so accurate temperature control is possible. Currently, materials such as Bi 2 Te 3 , PbTe, and SiGe are used for thermoelectric devices. It is expected that the application fields based on thermoelectric devices will be greatly expanded in the future.

열전재료의 power factor를 개선하기 위하여 종래의 기술은 제조방법에 있어서, 비구형나노 구조체를 미세화한 것으로 제어하여 포논의 산란효과를 유발하여 열전 소자의 성능지수(Figure of merit)를 개선하여 왔다.
In order to improve the power factor of the thermoelectric material, the prior art has improved the figure of merit of the thermoelectric element by controlling the non-spherical nanostructure to be miniaturized to induce a phonon scattering effect in the manufacturing method.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 열전소자의 P/N cell로 활용되는 열전 재료의 분말 형상을 조절하여 기존의 나노벌크구조의 소재와 대비하여 Power Factor가 개선된 열전소자용 열전재료 조성물을제공할 수 있도록 한다.The embodiment of the present invention has been devised to solve the above problems, and the power factor is improved compared to the existing nano-bulk structure material by controlling the powder shape of the thermoelectric material used as the P/N cell of the thermoelectric element. to provide a thermoelectric material composition for a thermoelectric device.

또한, 다른 두 가지 분말 재료를 혼합하여 열전재료 조성물을 구성함으로써, 전기전도도 및 제백계수는 상승하고 열전도도는 낮아져 펠티어 효과를 극대화한 열전소자를 제공할 수 있도록 한다.
In addition, by mixing the other two powder materials to form a thermoelectric material composition, electrical conductivity and Seebeck coefficient are increased and thermal conductivity is lowered to provide a thermoelectric device maximizing the Peltier effect.

본 발명의 실시예는 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 벌크상의 결정성 열전재료 매트릭스; 및 상기 열전재료 매트릭스 내부에 포함된 비구형 분말과 구형 분말의 혼합물인 열전재료를 포함하는 열전소자용 열전재료 조성물을 제공한다.An embodiment of the present invention is to achieve the above object, a bulk-phase crystalline thermoelectric material matrix; and a thermoelectric material that is a mixture of a non-spherical powder and a spherical powder included in the thermoelectric material matrix.

또한, 상기 비구형 분말 및 구형 분말의 입경은 1 내지 100㎛인 것을 특징으로 한다.In addition, the particle diameter of the non-spherical powder and the spherical powder is characterized in that 1 to 100㎛.

또한, 상기 열전재료의 P-type 소재는 Bi2 -xSbxTe3(0<x<1.6) 및 Ag의 혼합물인 것을 특징으로 한다.In addition, the P-type material of the thermoelectric material is a mixture of Bi 2 -x Sb x Te 3 (0<x<1.6) and Ag.

또한, 상기 구성성분의 함량은 Bi2 -xSbxTe3(0<x<1.6) 99.9 내지 99.99중량% 및 Ag 0.01 내지 0.1중량%인 것을 특징으로 한다.In addition, the content of the components Bi 2 -x Sb x Te 3 (0<x<1.6) 99.9 to 99.99% by weight and Ag 0.01 to 0.1% by weight, characterized in that.

또한, 상기 열전재료의 N-type 소재는 Bi2Te3 -ySey(0.1<y<0.2) 및 Cu의 혼합물인 것을 특징으로 한다.In addition, the N-type material of the thermoelectric material is a mixture of Bi 2 Te 3 -y Se y (0.1<y<0.2) and Cu.

또한, 상기 구성성분의 함량은 Bi2Te3 -ySey(0.1<y<0.2) 99.9 내지 99.99중량% 및 Cu 0.01 내지 0.1중량%의 혼합물인 것을 특징으로 한다.In addition, the content of the components is Bi 2 Te 3 -y Se y (0.1<y<0.2) 99.9 to 99.99% by weight and Cu, it is characterized in that the mixture of 0.01 to 0.1% by weight.

또한, 상기 비구형 분말과 구형 분말의 함량은 각각 25 내지 75중량% 및 25 내지 75중량% 인 것을 특징으로 한다.In addition, the content of the non-spherical powder and the spherical powder is characterized in that 25 to 75% by weight and 25 to 75% by weight, respectively.

또한, 상기 비구형 분말과 구형 분말의 함량은 각각 75중량% 및 25중량% 인 것을 특징으로 한다.In addition, the content of the non-spherical powder and the spherical powder is characterized in that 75% by weight and 25% by weight, respectively.

또한, 상기 열전재료 매트릭스는 비스무트(Bi), 안티몬(Sb), 텔루트(Te) 및 셀렌(Se)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the thermoelectric material matrix is characterized in that it includes at least one mixture selected from the group consisting of bismuth (Bi), antimony (Sb), tellute (Te), and selenium (Se).

또한, 본 발명의 실시예는 상기의 목적을 달성하기 위하여, 상기의 열전재료 조성물을 포함한 열전소자를 제공한다.In addition, an embodiment of the present invention provides a thermoelectric device including the thermoelectric material composition in order to achieve the above object.

또한, 상기 열전소자는 5 내지 30㎛의 얇은 판상 수조 및 0.1 내지 5㎛의 랜덤 구조가 혼재된 펠렛을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
In addition, the thermoelectric element is characterized in that it includes a pellet in which a thin plate-shaped water tank of 5 to 30 μm and a random structure of 0.1 to 5 μm are mixed.

본 발명의 실시예에 따르면, 열전소자의 P/N cell로 활용되는 열전 재료의 분말 형상을 조절하여 기존의 나노벌크구조의 소재와 대비하여 Power Factor가 개선된 열전소자용 열전재료 조성물 및 형상이 다른 두 가지 분말 재료를 혼합하여 열전재료 조성물을 구성함으로써, 전기전도도 및 제백계수는 상승하고 열전도도는 낮아져 펠티어 효과를 극대화한 열전소자를 제공할 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, the thermoelectric material composition and shape for a thermoelectric element with improved Power Factor compared to the existing nano-bulk structure material by controlling the powder shape of the thermoelectric material used as the P/N cell of the thermoelectric element. By mixing the other two powder materials to form a thermoelectric material composition, electrical conductivity and Seebeck coefficient are increased and thermal conductivity is lowered to provide a thermoelectric device maximizing the Peltier effect.

도 1 내지 도 5는 각각 비교예 1(도 1), 비교예 2(도 2), 실시예 1(도 3), 실시예 2(도 4) 및 실시예 3(도 5) 분말의 입자 이미지 사진.
도 6 내지 도 10은 각각 비교예 1(도 6), 비교예 2(도 7), 실시예 1(도 8), 실시예 2(도 9) 및 실시예 3(도 10) 분말의 입자 이미지 사진.
도 11 및 도 12는 각각 비교예 1 및 실시예 1의 에칭 후 미세구조의 사진.
1 to 5 are particle images of the powder of Comparative Example 1 (FIG. 1), Comparative Example 2 (FIG. 2), Example 1 (FIG. 3), Example 2 (FIG. 4) and Example 3 (FIG. 5), respectively. Photo.
6 to 10 are particle images of the powder of Comparative Example 1 (FIG. 6), Comparative Example 2 (FIG. 7), Example 1 (FIG. 8), Example 2 (FIG. 9), and Example 3 (FIG. 10), respectively. Photo.
11 and 12 are photographs of microstructures after etching in Comparative Example 1 and Example 1, respectively.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다.
Hereinafter, the configuration and operation according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description with reference to the accompanying drawings, the same components are given the same reference, regardless of the reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.

본 발명의 실시예는, 벌크상의 결정성 열전재료 매트릭스; 및 상기 열전재료 매트릭스 내부에 포함된 비구형 분말과 구형 분말의 혼합물인 열전재료를 포함하는 열전소자용 열전재료 조성물에 관한 것이다.
An embodiment of the present invention, a bulk-phase crystalline thermoelectric material matrix; and a thermoelectric material that is a mixture of a non-spherical powder and a spherical powder included in the thermoelectric material matrix.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예는 열전소자의 P/N Cell로 활용되는 열전재료에 비구형(Iregular 형상)과 구형(Spherical 형상) 분말을 혼합하여 기존의 나노벌크구조 소재 대비 "Power Factor(전기전도도 * 제백계수2)"를 개선한 것을 특징으로 한다.An embodiment of the present invention mixes non-spherical (irregular shape) and spherical (spherical shape) powder with a thermoelectric material used as a P/N cell of a thermoelectric element, compared to conventional nano-bulk structure materials, "Power Factor (electrical conductivity * Seebeck) It is characterized in that the coefficient 2 )" is improved.

즉, 본 발명의 실시예는 형상이 다른 Powder(비구형vs 구형분말 1종 또는 2종 이상)를 적용하여 전기전도도 및 제백계수 상승과 함께 열전도도는 낮추어서 펠티어 효과를 극대화할 수 있는 디바이스(Device) 소재로서의 성능을 개선하도록 한 것으로, 본 발명의 실시예에서 형상이 다른 분말을 혼합한 결과 열전재료용 펠렛(Pellet)의 미세구조의 차이에 의하여 전기적 특성을 개선할 수 있는 것이다.
That is, the embodiment of the present invention is a device that can maximize the Peltier effect by applying powders of different shapes (non-spherical vs. spherical powders 1 or 2 or more) to increase electrical conductivity and Seebeck coefficient and lower thermal conductivity ) to improve the performance as a material, and as a result of mixing powders having different shapes in the embodiment of the present invention, the electrical properties can be improved by the difference in the microstructure of the pellets for thermoelectric materials.

본 발명의 실시예에서, 상기 비구형 분말 및 구형 분말의 입경은 1 내지 100㎛인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 종래의 기술과 같이 열전재료의 성능을 개선하기 위하여 나노화하지 않아도, 본 발명의 실시예와 같이 이종 형상의 분말을 혼합함으로써 성능 개선의 효과를 얻을 수 있다. 분말의 입경이 1㎛ 미만인 경우는 전기적특성이낮아지므로 바람직하지 못하며, 100㎛ 보다 큰 경우 열전도도가 커지므로 바람직하지 못하다.
In an embodiment of the present invention, it is preferable to use a particle diameter of 1 to 100 μm of the non-spherical powder and the spherical powder. Even if nano-ization is not performed to improve the performance of the thermoelectric material as in the prior art, the practice of the present invention As in the example, by mixing different types of powder, the effect of improving the performance can be obtained. If the particle diameter of the powder is less than 1㎛, it is not preferable because the electrical properties are lowered, and if it is larger than 100㎛, it is not preferable because the thermal conductivity increases.

본 발명의 실시예로서 상기 열전재료의 P-type 소재는 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서 본 발명의 기술분야에서 사용되는 것을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 Bi2 -xSbxTe3(0<x<1.6) 및 Ag의 혼합물인 것이 바람직하다.As an embodiment of the present invention, the P-type material of the thermoelectric material may be used without limitation in the technical field of the present invention as long as it does not impair the effects of the present invention, for example, Bi 2 -x Sb x Te It is preferably a mixture of 3 (0<x<1.6) and Ag.

상기 Ag은 첨가제로서, 상기 구성성분의 함량은 Bi2 -xSbxTe3(0<x<1.6) 99.9 내지 99.99중량%(?) 및 Ag 0.01 내지 0.1중량%인 것이 바람직하다. Ag 첨가제를 첨가함으로써 전기적인 특성을 개선시킬 수 있다.The Ag is an additive, and the content of the constituents is preferably Bi 2 -x Sb x Te 3 (0<x<1.6) 99.9 to 99.99% by weight (?) and 0.01 to 0.1% by weight of Ag. The electrical properties can be improved by adding Ag additives.

이외에도, 상기 P형 반도체 재료는, 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성함이 바람직하다. 이를 테면, 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.In addition, the P-type semiconductor material is antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tell A main raw material consisting of bismuth telluride (BiTe) including rurium (Te), bismuth (Bi), and indium (In), and Bi or Te corresponding to 0.001 to 1.0 wt% of the total weight of the main raw material are mixed It is preferable to form using a mixture. For example, the main raw material may be a Bi-Sb-Te material, and Bi or Te may be formed by further adding a weight corresponding to 0.001 to 1.0 wt% of the total weight of Bi-Sb-Te. That is, when 100 g of the weight of Bi-Sb-Te is added, the additionally mixed Bi or Te may be added in the range of 0.001 g to 1 g. The weight range of the material added to the above-described main raw material is significant in that, outside the range of 0.001 wt% to 0.1 wt%, the thermal conductivity does not decrease and the electrical conductivity decreases, so that the improvement of the ZT value cannot be expected.

본 발명의 실시예로서 상기 열전재료의 N-type 소재는 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서 본 발명의 기술분야에서 사용되는 것을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 Bi2Te3 -ySey(0.1<y<0.2) 및 Cu의 혼합물인 것이 바람직하다.As an embodiment of the present invention, the N-type material of the thermoelectric material may be used without limitation in the technical field of the present invention as long as it does not impair the effects of the present invention, for example, Bi 2 Te 3 -y Se It is preferably a mixture of y (0.1<y<0.2) and Cu.

상기 Cu는 첨가제로서, 상기 구성성분의 함량은 Bi2Te3 -ySey(0.1<y<0.2) 99.9 내지 99.99중량%및 Cu 0.01 내지 0.1중량%인 것이 바람직하다. Cu 첨가제를 첨가함으로써 제벡계수의 특성을 개선시킬 수 있다.The Cu is an additive, and the content of the components is preferably Bi 2 Te 3 -y Se y (0.1<y<0.2) 99.9 to 99.99% by weight and Cu 0.01 to 0.1% by weight. The properties of the Seebeck coefficient can be improved by adding a Cu additive.

이외에도,상기 N형 반도체 재료는, 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 00.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다.즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1.0g의 범위에서 투입하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
In addition, the N-type semiconductor material is selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tell A main raw material composed of bismuth telluride (BiTe) including rurium (Te), bismuth (Bi), and indium (In), and Bi or Te corresponding to 0.001 to 1.0 wt% of the total weight of the main raw material are mixed It can be formed using a mixture of For example, the main raw material may be a Bi-Se-Te material, and Bi or Te may be formed by adding a weight corresponding to 00.001 to 1.0 wt% of the total weight of Bi-Se-Te. That is, Bi When the weight of -Se-Te is 100 g, it is preferable to add Bi or Te to be added in the range of 0.001 g to 1.0 g. As described above, the weight range of the material added to the above-described main raw material is significant in that, outside the range of 0.001 wt% to 0.1 wt%, the thermal conductivity does not decrease and the electrical conductivity does not decrease, so improvement of the ZT value cannot be expected. have

본 발명의 일 양태는 상기의 열전재료 조성물을 포함한 열전소자에 관한 것으로, 상기 열전소자는 5 내지 30㎛의 얇은 판상 수조 및 0.1 내지 5㎛의 랜덤 구조가 혼재된 펠렛을 포함하고 있는 것으로 확인할 수 있다.
One aspect of the present invention relates to a thermoelectric element including the thermoelectric material composition, wherein it can be confirmed that the thermoelectric element contains pellets in which a thin plate-shaped water tank of 5 to 30 μm and a random structure of 0.1 to 5 μm are mixed. have.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples according to the gist of the present invention. .

[실시예][Example]

1. 본 발명에 따른 비교예 및 실시예의 분말 조성1. Powder composition of Comparative Examples and Examples according to the present invention

비구형 분말(중량%)Non-spherical powder (wt%) 구형 분말(중량%)spherical powder (wt%) 비교예 1Comparative Example 1 100100 00 실시예 1Example 1 7575 2525 실시예 2Example 2 5050 5050 실시예 3Example 3 2525 7575 비교예 2Comparative Example 2 00 100100

2. 펠렛제조2. Pellet manufacturing

1. 비구형 분말 및 구형분말을 함량별로 Mixing 한다.1. Mix non-spherical powder and spherical powder by content.

2. Graphite 몰드에 혼합(Mixing)된 분말을 넣고 SPS(Spark Plasma Sintering)장비로 공정조건 (온도 420~500℃, 압력 500~650kgf,유지시간 5~10분) 에서 소결체(펠렛)을 제조하여 각각의 물성을 측정하여 아래의 표들에 정리하였다.2. Put the mixed powder in the graphite mold and use SPS (Spark Plasma Sintering) equipment to manufacture a sintered compact (pellet) under the process conditions (temperature 420~500℃, pressure 500~650kgf, holding time 5~10 minutes) Each physical property was measured and summarized in the table below.

3. 실험결과3. Experimental results

표 2는 비교예 1의 실험결과이다.Table 2 shows the experimental results of Comparative Example 1.

온도(℃)Temperature (℃) power factor
(W/m·K^2)
power factor
(W/m·K^2)
전기전도도
(S/m)
electrical conductivity
(S/m)
제백계수
(V/K)
See Baek Gye-soo
(V/K)
열전도도
(W/K·m)
thermal conductivity
(W/K m)
2525 3.59E-033.59E-03 8.88E+048.88E+04 2.01E-042.01E-04 1.30371.3037 5050 3.39E-033.39E-03 7.92E+047.92E+04 2.07E-042.07E-04 1.23371.2337 100100 2.97E-032.97E-03 6.22E+046.22E+04 2.18E-042.18E-04 1.17391.1739 150150 2.41E-032.41E-03 5.03E+045.03E+04 2.19E-042.19E-04 1.19301.1930

표 3은 실시예 1의 실험결과이다.Table 3 shows the experimental results of Example 1.

온도(℃)Temperature (℃) power factor
(W/m·K^2)
power factor
(W/m·K^2)
전기전도도
(S/m)
electrical conductivity
(S/m)
제백계수
(V/K)
See Baek Gye-soo
(V/K)
열전도도
(W/K·m)
thermal conductivity
(W/K m)
2525 4.04E-034.04E-03 1.05E+051.05E+05 1.96E-041.96E-04 1.27651.2765 5050 3.91E-033.91E-03 9.52E+049.52E+04 2.03E-042.03E-04 1.22261.2226 100100 3.35E-033.35E-03 7.50E+047.50E+04 2.11E-042.11E-04 1.15721.1572 150150 2.72E-032.72E-03 6.03E+046.03E+04 2.12E-042.12E-04 1.15591.1559

표 4는 실시예 2의 실험결과이다.Table 4 shows the experimental results of Example 2.

온도(℃)Temperature (℃) power factor
(W/m·K^2)
power factor
(W/m·K^2)
전기전도도
(S/m)
electrical conductivity
(S/m)
제백계수
(V/K)
See Baek Gye-soo
(V/K)
열전도도
(W/K·m)
thermal conductivity
(W/K m)
2525 3.73E-033.73E-03 9.35E+049.35E+04 2.00E-042.00E-04 1.45891.4589 5050 3.55E-033.55E-03 8.50E+048.50E+04 2.04E-042.04E-04 1.38351.3835 100100 3.06E-033.06E-03 6.68E+046.68E+04 2.14E-042.14E-04 1.30161.3016 150150 2.43E-032.43E-03 5.34E+045.34E+04 2.14E-042.14E-04 1.31701.3170

표 5는 실시예 3의 실험결과이다.Table 5 shows the experimental results of Example 3.

온도(℃)Temperature (℃) power factor
(W/m·K^2)
power factor
(W/m·K^2)
전기전도도
(S/m)
electrical conductivity
(S/m)
제백계수
(V/K)
See Baek Gye-soo
(V/K)
열전도도
(W/K·m)
thermal conductivity
(W/K m)
2525 3.95E-033.95E-03 1.15E+051.15E+05 1.85E-041.85E-04 1.42621.4262 5050 3.80E-033.80E-03 1.05E+051.05E+05 1.90E-041.90E-04 1.35321.3532 100100 3.34E-033.34E-03 8.32E+048.32E+04 2.00E-042.00E-04 1.26351.2635 150150 2.57E-032.57E-03 6.67E+046.67E+04 1.96E-041.96E-04 1.23911.2391

표 6은 비교예 2의 실험결과이다.Table 6 shows the experimental results of Comparative Example 2.

온도(℃)Temperature (℃) power factor
(W/m·K^2)
power factor
(W/m·K^2)
전기전도도
(S/m)
electrical conductivity
(S/m)
제백계수
(V/K)
See Baek Gye-soo
(V/K)
열전도도
(W/K·m)
thermal conductivity
(W/K m)
2525 3.61E-033.61E-03 8.49E+048.49E+04 2.06E-042.06E-04 1.24301.2430 5050 3.42E-033.42E-03 7.72E+047.72E+04 2.10E-042.10E-04 1.20401.2040 100100 2.94E-032.94E-03 6.10E+046.10E+04 2.20E-042.20E-04 1.13751.1375 150150 2.38E-032.38E-03 4.95E+044.95E+04 2.19E-042.19E-04 1.18141.1814

위의 실험결과에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 비구형 분말과 구형 분말의 함량을 각각 25 내지 75중량% 및 25 내지 75중량%으로 혼합한 분말에서 성능이 우수한 것을 알 수 있다.As can be seen from the above experimental results, it can be seen that the powder obtained by mixing the non-spherical powder and the spherical powder in an amount of 25 to 75% by weight and 25 to 75% by weight, respectively, showed excellent performance.

특히, 상기 비구형 분말과 구형 분말의 함량이 각각 75중량% 및 25중량% 인 실시예 1의 성능 증가 효과가 가장 큰 것을 알 수 있다.
In particular, it can be seen that the performance increase effect of Example 1 in which the content of the non-spherical powder and the spherical powder is 75 wt% and 25 wt%, respectively, is the greatest.

도 1 내지 도 5는 각각 비교예 1(도 1), 비교예 2(도 2), 실시예 1(도 3), 실시예 2(도 4) 및 실시예 3(도 5) 분말의 입자 이미지 사진이다.(JEOL FIB –SEM 장비 사용)
1 to 5 are particle images of the powder of Comparative Example 1 (FIG. 1), Comparative Example 2 (FIG. 2), Example 1 (FIG. 3), Example 2 (FIG. 4) and Example 3 (FIG. 5), respectively. This is a picture (using JEOL FIB -SEM equipment)

도 6 내지 도 10은 각각 비교예 1(도 6), 비교예 2(도 7), 실시예 1(도 8), 실시예 2(도 9) 및 실시예 3(도 10) 분말의 입자 이미지 사진이다.JEOL FIB –SEM 장비로 샘플의 파단면 측정하였다.6 to 10 are particle images of the powder of Comparative Example 1 (FIG. 6), Comparative Example 2 (FIG. 7), Example 1 (FIG. 8), Example 2 (FIG. 9) and Example 3 (FIG. 10), respectively. This is a photograph. The fracture surface of the sample was measured with JEOL FIB-SEM equipment.

이미지 사진으로부터 비구형 분말로만 제작된 펠렛과비구형 분말과 구형 분말을 혼합하여 제작된 펠렛의 미세 구조 형태의 차이점을 발견할 수 있었다. 또한, 펠렛을에칭한 후의 미세 구조 사진에서도 비구형 분말 펠렛과비구형 및 구형 분말의 혼합 제작 펠렛의 차이를 확인할 수 있다.From the image photos, it was possible to discover the difference in the microstructure of pellets made only with non-spherical powder and pellets made by mixing non-spherical powder and spherical powder. In addition, the difference between the non-spherical powder pellets and the pellets produced by mixing non-spherical and spherical powders can be seen in the microstructure photograph after the pellets are etched.

도 11 및 도 12는 각각 비교예 1 및 실시예 1의 에칭 후 미세구조의 사진이다.JEOL FIB –SEM 장비로 측정하였으며, 샘플을 질산(65%)용액에 3분간 에칭 후 측정한 미세구조 사진이다.
11 and 12 are photographs of microstructures after etching in Comparative Examples 1 and 1, respectively. It was measured with JEOL FIB-SEM equipment, and microstructure photos were measured after etching the sample in nitric acid (65%) solution for 3 minutes. to be.

Claims (11)

벌크상의 결정성 열전재료 매트릭스; 및 상기 열전재료 매트릭스 내부에 포함된 열전재료;를 포함하며,
상기 열전재료의 P-type 소재는 Bi2-xSbxTe3(0<x<1.6), 및 Ag의 혼합물로이루어지고,
상기 Bi2-xSbxTe3(0<x<1.6)는 99.9 내지 99.99중량% 이고, 상기 Ag는 0.01 내지 0.1중량%이고,
상기 열전재료는 구형 분말과 비구형 분말의 혼합물이고,
상기 비구형 분말과 구형 분말의 함량은 각각 25 내지 75중량% 및 25 내지 75중량% 인 열전소자용 열전재료 조성물.
a bulk crystalline thermoelectric material matrix; and a thermoelectric material included in the thermoelectric material matrix.
The P-type material of the thermoelectric material consists of a mixture of Bi 2-x Sb x Te 3 (0<x<1.6), and Ag,
The Bi 2-x Sb x Te 3 (0<x<1.6) is 99.9 to 99.99% by weight, the Ag is 0.01 to 0.1% by weight,
The thermoelectric material is a mixture of spherical powder and non-spherical powder,
The content of the non-spherical powder and the spherical powder is 25 to 75% by weight and 25 to 75% by weight of the thermoelectric material composition for a thermoelectric element, respectively.
제1항에 있어서,
상기 비구형 분말 및 상기 구형 분말의 입경은 1 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 열전소자용 열전재료 조성물.
The method of claim 1,
The thermoelectric material composition for a thermoelectric element, characterized in that the non-spherical powder and the particle diameter of the spherical powder is 1 to 100㎛.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 열전재료의 N-type 소재는 Bi2Te3 -ySey(0.1<y<0.2) 및 Cu의 혼합물인 것을 특징으로 하는 열전소자용 열전재료 조성물.
The method of claim 1,
The thermoelectric material composition for a thermoelectric element, characterized in that the N-type material of the thermoelectric material is a mixture of Bi 2 Te 3 -y Se y (0.1<y<0.2) and Cu.
제5항에 있어서,
상기 N-type 소재의 함량은 Bi2Te3-ySey(0.1<y<0.2)99.9 내지 99.99중량% 및 Cu 0.01 내지 0.1중량%의 혼합물인 것을 특징으로 하는 열전소자용 열전재료 조성물.
6. The method of claim 5,
The content of the N-type material is a thermoelectric material composition for a thermoelectric element, characterized in that the mixture of Bi 2 Te 3-y Se y (0.1<y<0.2) 99.9 to 99.99% by weight and Cu 0.01 to 0.1% by weight.
삭제delete 제2항에 있어서,
상기 비구형 분말과 구형 분말의 함량은 각각 75중량% 및 25중량%인 것을 특징으로 하는 열전소자용 열전재료 조성물.
3. The method of claim 2,
The thermoelectric material composition for a thermoelectric element, characterized in that the content of the non-spherical powder and the spherical powder is 75% by weight and 25% by weight, respectively.
제1항에 있어서,
상기 열전재료 매트릭스는 비스무트(Bi), 안티몬(Sb), 텔루트(Te) 및 셀렌(Se)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자용 열전재료 조성물.
The method of claim 1,
The thermoelectric material matrix comprises at least one mixture selected from the group consisting of bismuth (Bi), antimony (Sb), tellute (Te) and selenium (Se).
제1항 내지 제2항, 제5항, 제6항, 제8항, 제9항 중 어느 한 항의 열전재료 조성물을 포함한 열전소자.A thermoelectric element comprising the thermoelectric material composition of any one of claims 1 to 2, 5, 6, 8, and 9. 삭제delete
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