KR102432442B1 - Thermoelectric material powder manufacturing method using rapid solidification - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법은 안티모니(Sb)를 포함하며, 최종 제조될 열전소재 분말의 상기 Sb의 최종함량보다 1/120이상 10/120이하 높은 Sb함량을 갖는 분말 원재료를 준비하는 원재료 준비단계; 상기 분말 원재료를 진공 밀봉하고 용융하여 용융액을 만드는 단계; 상기 용융액을 급속고화법으로 응고시켜 응고물을 만드는 단계; 상기 응고물을 분쇄하는 원료 분말 제조 단계 및 소결하는 단계를 포함한다.The thermoelectric material powder manufacturing method using the rapid solidification method according to an embodiment of the present invention contains antimony (Sb), and is 1/120 or more and 10/120 or less higher than the final content of Sb in the thermoelectric material powder to be finally manufactured. Raw material preparation step of preparing a powder raw material having an Sb content; vacuum sealing and melting the powder raw material to make a molten solution; making a solidified product by solidifying the molten solution by a rapid solidification method; A raw material powder manufacturing step of pulverizing the coagulated product and the step of sintering.

Description

급속고화법을 활용한 열전소재 분말 제조법{Thermoelectric material powder manufacturing method using rapid solidification}Thermoelectric material powder manufacturing method using rapid solidification

본 발명은 급속고화법을 활용한 열전소재 분말 제조법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 급속고화법 중 일어나는 휘발성 금속의 손실을 미리 보상하여 정확한 조성비의 분말을 제조하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말 제조법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric material powder using a rapid solidification method. More particularly, it relates to a method for manufacturing a thermoelectric material powder using a rapid solidification method for preparing a powder having an accurate composition ratio by pre-compensating for loss of volatile metals occurring during the rapid solidification method.

열전현상은 서로 다른 두 개의 도체로 이루어진 한 회로에서 도체간의 접점에 다른 온도를 가해주면 전류 또는 전압이 발생하는 현상으로서, 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는 열 흐름이 전류를 발생시키는 것이다. 이러한 현상을 제벡효과(Seebeck Effect)라고 한다.Thermoelectric phenomenon is a phenomenon in which current or voltage is generated when different temperatures are applied to the contact points between conductors in a circuit composed of two different conductors. This phenomenon is called the Seebeck effect.

일반적인 열전소자는 p형과 n형 열전 반도체 소자 1쌍이 기본 단위가 된다.A general thermoelectric element is a basic unit of a pair of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements.

열전소자의 열전 효율은 수학식1과 같이 알려졌다The thermoelectric efficiency of the thermoelectric element is known as Equation 1

Figure 112020142560510-pat00001
Figure 112020142560510-pat00001

여기서 S는 제벡 계수, σ는 전기전도도, S2σ는 출력인자, κE는 전자 열전도도, κL은 격자 열전도도, T는 절대온도를 의미한다.Here, S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, S 2 σ is the output factor, κ E is the electronic thermal conductivity, κ L is the lattice thermal conductivity, and T is the absolute temperature.

수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이 출력인자가 높을수록 열전효율이 향상되고, 격자 열전도도가 낮을수록 열전효율이 향상된다. 여기서 출력인자는 전기 전도도와 비례관계에 있으므로 동일한 소재라면 전기 전도도를 향상시키는 방법으로 열전효율을 높일 수 있다.As can be seen from Equation 1, the higher the output factor, the better the thermoelectric efficiency, and the lower the lattice thermal conductivity, the better the thermoelectric efficiency. Here, the output factor is proportional to the electrical conductivity, so if the same material is used, the thermoelectric efficiency can be increased by improving the electrical conductivity.

여기서 제벡 계수는 피사렌코 관계식(Pisarenko relation)에 따라 계산될 수 있다. 피사렌코 관계식은 수학식 2와 같다.Here, the Seebeck coefficient may be calculated according to the Pisarenko relation. The Pisarenko relation is the same as Equation (2).

Figure 112020142560510-pat00002
Figure 112020142560510-pat00002

여기서 kB는 볼츠만 상수, m* d는 실효질량(effective mass), n은 캐리어 농도, q는 전하량, h는 플랑크상수를 의미한다. 수학식 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 유효질량이 커질수록 제벡 계수가 높아지며, 열전효율이 증대된다.Here, k B is the Boltzmann constant, m * d is the effective mass, n is the carrier concentration, q is the charge, and h is the Planck constant. As can be seen from Equation 2, as the effective mass increases, the Seebeck coefficient increases, and the thermoelectric efficiency increases.

격자 열전도도가 낮은 열전 소재로서 스커터루다이트(Skutterudite; 이하 SKD) 소재가 있다.As a thermoelectric material with low lattice thermal conductivity, there is a Skutterudite (SKD) material.

MX3(M=Co, Rh, 또는 Ir; X=P, As, 또는 Sb)의 화학식을 가지는 SKD화합물은 단위 격자 내에 두 개의 공극을 포함하는데, 래틀러(rattler(R))라 불리는 이종원자(전이금속)를 공극에 채워 다른 원자들과는 독립적으로 진동시키는 래틀링(rattling)효과를 통해 격자 열전도도를 낮출 수 있다. SKD계 소재 중에서도 CoSb3는 적절한 밴드갭 에너지와 높은 캐리어 이동도를 가지고 있고 친환경 저가 원소로 구성되어 있어 중온용 열전소재로 적합하다.SKD compounds having the formula MX 3 (M=Co, Rh, or Ir; X=P, As, or Sb) contain two voids in the unit cell, a heteroatom called rattler(R). The lattice thermal conductivity can be lowered through the rattling effect, which fills the voids with (transition metal) and vibrates independently of other atoms. Among SKD-based materials, CoSb 3 has adequate bandgap energy and high carrier mobility, and is composed of eco-friendly low-cost elements, making it suitable as a thermoelectric material for medium temperature.

CoSb3 소재는 일반적인 열전소자와 마찬가지로 p형과 n형이 존재한다. p형 반도체는 밸런스 밴드(Valence band)의 정공이 주요 캐리어이며, n형 반도체는 컨덕션 밴드(conduction band)의 전자가 주요 캐리어이다. 여기서 안티모니(Sb)의 경우 최 외곽 전자가 5p 오비탈로서, p형 CoSb3의 밸런스 밴드에 지배적인 영향을 미친다. 이때, Sb의 5p오비탈은 밸런스 밴드로 작용할 때 캐리어의 실효 질량이 매우 낮으므로 제벡 계수가 낮은 문제가 있다. 다시 말해서, p형 소자로 사용할 경우 성능이 매우 낮아지는 문제가 있다. 따라서, 밸런스 밴드의 실효질량을 높이기 위하여 Co 자리에 철(Fe)을 치환한다. 이를 통해, Fe의 3d 오비탈을 사용함으로써, 실효질량이 증대되고 제벡 계수가 상대적으로 높아지는 효과가 있다. 다시 말해서 CoSb3계 소재를 개량하여 제벡 계수가 높아진 p형 소재가 제안되었다.CoSb 3 material has p-type and n-type like general thermoelectric devices. In the p-type semiconductor, holes in the balance band are the main carriers, and in the n-type semiconductor, electrons in the conduction band are the main carriers. Here, in the case of antimony (Sb), the outermost electron is a 5p orbital, which has a dominant influence on the balance band of p-type CoSb 3 . In this case, when the 5p orbital of Sb acts as a balance band, since the effective mass of the carrier is very low, there is a problem in that the Seebeck coefficient is low. In other words, when used as a p-type device, there is a problem in that the performance is very low. Therefore, iron (Fe) is substituted for Co to increase the effective mass of the balance band. Through this, by using the 3d orbital of Fe, there is an effect that the effective mass is increased and the Seebeck coefficient is relatively high. In other words, a p-type material with an increased Seebeck coefficient has been proposed by improving the CoSb 3 -based material.

한편, 일반 용융 및 소결 공정으로 SKD계 열전소재를 제조한 경우 그래인의 크기가 커서 포논이 산란되는 문제가 발생한다. 포논이 산란된다는 것은 격자 열전도도가 증대됨을 의미한다. 따라서, 수학식 1에 의해 열전효율이 크게 저감된다. 이를 해결하기 위하여 그래인 사이즈를 나노 수준으로 줄이는 방법이 모색되었다. 그래인 사이즈를 줄이기 위하여 적용되는 방법 중 하나로 급속고화법이 있다. 급속고화법을 활용하면, 세라믹의 그래인 사이즈가 성장하기 전에 응고되므로 전자산란이 일어나기 어려운 수준의 그래인 사이즈를 얻을 수 있다.On the other hand, when the SKD-based thermoelectric material is manufactured by the general melting and sintering process, the grain size is large, so that the problem of phonon scattering occurs. The scattering of phonons means that the lattice thermal conductivity is increased. Therefore, the thermoelectric efficiency is greatly reduced by Equation (1). In order to solve this problem, a method of reducing the grain size to the nano level was sought. One of the methods applied to reduce the grain size is the rapid solidification method. If the rapid solidification method is used, since the ceramic grain size is solidified before growth, it is possible to obtain a grain size at a level at which electron scattering is difficult to occur.

그러나, 급속고화법을 사용하여 SKD계 열전소자를 제조하는 경우 응고과정에서 발생하는 금속의 손실이 성분 별로 상이하여 정확한 최초 조성과 제작물의 조성이 상이하다. 그렇기 때문에 설계 시 예상하지 못한 2차상이 생성되는 문제가 발생한다.However, when the SKD-based thermoelectric device is manufactured using the rapid solidification method, the metal loss occurring in the solidification process is different for each component, so that the exact initial composition and the composition of the product are different. Therefore, there is a problem that an unexpected secondary phase is generated during design.

따라서, 급속고화법을 사용하여 SKD계 열전소자를 제조할 때, 금속의 손실을 보상하는 제조방법 및 레시피가 필요하다.Therefore, there is a need for a manufacturing method and recipe for compensating for metal loss when manufacturing an SKD-based thermoelectric device using the rapid solidification method.

1)대한민국 등록특허 제10-1468991호 (2014.11.28.)1) Republic of Korea Patent No. 10-1468991 (November 28, 2014)

본 발명은 급속고화법을 활용하여 Sb가 포함된 열전소자를 제조하는 제조방법에 있어서, 정밀한 함량비 및 단일상을 유지할 수 있는 제조방법을 제공한다.The present invention provides a manufacturing method capable of maintaining a precise content ratio and a single phase in a manufacturing method for manufacturing a thermoelectric device containing Sb by utilizing a rapid solidification method.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법은 안티모니(Sb)를 포함하며, 최종 제조될 열전소재 분말의 상기 Sb의 최종함량보다 1/120이상 10/120이하 높은 Sb함량을 갖는 분말 원재료를 준비하는 원재료 준비단계 상기 분말 원재료를 진공 밀봉하고 용융하여 잉곳을 만드는 단계 상기 잉곳을 재용융한 용융액을 급속고화법으로 응고시켜 응고물을 만드는 단계 및 상기 응고물을 분쇄하는 원료 분말 제조 단계 및 소결하는 단계를 포함한다.As a technical means for achieving the above-described technical problem, the thermoelectric material powder manufacturing method using the rapid solidification method according to an embodiment of the present invention contains antimony (Sb), and the Sb of the thermoelectric material powder to be finally manufactured is Raw material preparation step of preparing a powder raw material having an Sb content higher than 1/120 or more and 10/120 or less than the final content A step of vacuum sealing and melting the powder raw material to make an ingot to make a coagulated product and a raw material powder manufacturing step of pulverizing the coagulated product, and sintering.

상기 분말 원재료는 네오디뮴(Nd), 철(Fe) 및 코발트(Co)를 더 포함할 수 있다.The powder raw material may further include neodymium (Nd), iron (Fe) and cobalt (Co).

상기 분말 원재료는 Nd:Fe:Co의 비율이 0.9:3.5:0.5이고, Sb의 비율은 이들 전체에 대하여 4.9:12.1이상 13이하일 수 있다.The powder raw material may have a ratio of Nd:Fe:Co of 0.9:3.5:0.5, and a ratio of Sb of 4.9:12.1 or more and 13 or less with respect to all of them.

상기 분말 원재료를 진공 밀봉하고 용융하여 잉곳을 만드는 단계는, 상기 분말 원재료를 내화재가 코팅된 도가니에 넣고 10-2Torr이하의 진공도를 유지하며 밀봉하는 단계를 포함할 수 있다.The step of vacuum sealing and melting the powder raw material to make an ingot may include putting the powder raw material into a refractory-coated crucible and sealing the powder raw material while maintaining a vacuum degree of 10 -2 Torr or less.

상기 내화재는 탄소일 수 있다.The refractory material may be carbon.

상기 도가니는 석영관일 수 있다.The crucible may be a quartz tube.

상기 분말 원재료를 진공 밀봉하고 용융하여 잉곳을 만드는 단계는, 상기 분말 원재료를 담은 도가니를 고주파 유도 용해로로 가열하는 단계를 포함할 수 있다.The step of vacuum sealing and melting the powder raw material to make an ingot may include heating a crucible containing the powder raw material in a high frequency induction melting furnace.

상기 고주파 유도 용해로는 6kw이상 8kw이하의 30kHz이상 50kHz이하의 주파수로 상기 도가니를 가열할 수 있다.The high-frequency induction melting furnace can heat the crucible at a frequency of 6kw or more and 8kw or less, 30kHz or more and 50kHz or less.

상기 분말 원재료를 진공 밀봉하고 용융하여 잉곳을 만드는 단계는, 상기 분말 원재료를 진공 밀봉하고, 70분이상 가열하여 용융할 수 있다.In the step of vacuum-sealing and melting the powder raw material to make an ingot, the powder raw material may be vacuum sealed and melted by heating for 70 minutes or more.

상기 분말 원재료를 진공 밀봉하고 용융하여 잉곳을 만드는 단계는, 상기분말 원재료가 용융되고 10분이상 30분이하의 시간 동안 상기 분말 원재료를 공랭하는 단계를 더 포함할 수 있다.The step of vacuum sealing and melting the powder raw material to make an ingot may further include air-cooling the powder raw material for a period of 10 minutes or more and 30 minutes or less after the powder raw material is melted.

상기 잉곳을 재용융시키고 급속고화법으로 응고시켜서 응고물을 만드는 단계는, 용융스피닝법, 가스원자화법, 플라즈마 증착법, 원심분무법 및 스플랫퀀칭법 중 어느 하나일 수 있다.The step of re-melting the ingot and solidifying it by a rapid solidification method to form a solidified product may be any one of a melt spinning method, a gas atomization method, a plasma deposition method, a centrifugal spraying method, and a splat quenching method.

상기 잉곳을 재용융시키고 급속고화법으로 응고시켜서 응고물을 만드는 단계는, 회전하는 원판의 측면에 재용융된 용융액을 분사하는 단계를 포함할 수 있다.The step of re-melting the ingot and solidifying it by a rapid solidification method to make a solidified product may include spraying the re-melted melt on the side of the rotating disk.

상기 회전하는 원판은 500이상 4000rpm이하의 속도로 회전할 수 있다.The rotating disk may rotate at a speed of 500 or more and 4000 rpm or less.

상기 재용융된 용융액을 분사하는 단계는 아르곤 분위기에서 수행될 수 있다.The spraying of the re-melted melt may be performed in an argon atmosphere.

상기 재용융된 용융액을 분사하는 단계는 0.5bar이하의 압력에서 수행될 수 있다.The spraying of the re-melted melt may be performed at a pressure of 0.5 bar or less.

상기 회전하는 원판은 구리 재질일 수 있다.The rotating disk may be made of copper.

상기 회전하는 원판은 직경이 30cm이상일 수 있다.The rotating disk may have a diameter of 30 cm or more.

상기 재용융된 용융액을 분사하는 단계는 상기 재용융된 용융액을 노즐을 사용하여 분사할 수 있다.In the spraying of the re-melted melt, the re-melted melt may be sprayed using a nozzle.

상기 소결하는 단계는 방전 플라즈마 소결 방법으로 소결할 수 있다.The sintering may be performed by a discharge plasma sintering method.

상기 소결하는 단계는 0.5bar이하의 기압에서 900K이상의 온도로 10분이상 45MPa이상의 압력으로 소결할 수 있다.The sintering step may be sintered at a pressure of less than 0.5 bar at a temperature of 900 K or more and a pressure of 45 MPa or more for 10 minutes or more.

본 발명의 실시예에 따르면, 급속고화법을 사용함에도 휘발성이 높은 Sb가 제품 비율보다 높은 양을 첨가함으로써, 완성제품에 포함된 Sb의 비율을 목표 비율에 맞게 제어할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, even when the rapid solidification method is used, the ratio of Sb included in the finished product can be controlled to match the target ratio by adding an amount higher than the product ratio of highly volatile Sb.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제조 공정에서 이물질의 첨가를 최소화할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to minimize the addition of foreign substances in the manufacturing process.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재 분말의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법의 실제 제조예에서 원재료의 진공 밀봉 및 용융단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법의 실제 제조예에서 급속고화법을 설명하기 위한 사시도 및 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따라 제조된 샘플들의 전체 XRD 및 사진이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따라 제조된 샘플들의 2차상 분석을 위한 31° 내지 36°의 XRD그래프이고 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따라 제조된 샘플들의 2차상 분석을 위한 38° 내지 41°의 XRD그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따라 제조된 샘플들에서 급속 응고 후 리본 샘플의 정량을 분석한 Sb 정량분석 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따라 제조된 샘플들의 급속고화법에 따른 단면 미세구조를 나타낸 SEM 사진이다.
도 9의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따라 제조된 샘플들의 온도 별 전기전도도를 나타낸 그래프이고, (b)는 온도별 제벡 계수를 나타낸 그래프이고, (c)는 온도 별 출력인자를 나타낸 그래프이다.
도 10의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따라 제조된 샘플들의 온도 별 열전도도를 나타낸 그래프이고, (b)는 온도 별 ZT의 값을 나타낸 그래프이다.
1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view for explaining the vacuum sealing and melting step of the raw material in the actual manufacturing example of the manufacturing method of the thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention.
3 and 4 are perspective views and photographs for explaining a rapid solidification method in an actual manufacturing example of a method for manufacturing a thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention.
5 is an overall XRD and photograph of samples prepared according to a method for manufacturing a thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention.
6 (a) is an XRD graph of 31° to 36° for secondary phase analysis of samples prepared according to the method of manufacturing a thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention, and (b) is an embodiment of the present invention It is an XRD graph of 38° to 41° for secondary phase analysis of samples prepared according to the method for preparing thermoelectric material powder according to
7 is a graph of quantitative analysis of Sb in which the quantity of a ribbon sample is analyzed after rapid solidification in samples prepared according to the method for manufacturing a thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention.
8 is a SEM photograph showing the cross-sectional microstructure according to the rapid solidification method of samples prepared according to the method for producing a thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 (a) is a graph showing the electrical conductivity of each temperature of the samples prepared according to the manufacturing method of the thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention, (b) is a graph showing the Seebeck coefficient for each temperature, (c) ) is a graph showing the output factors for each temperature.
10 (a) is a graph showing the thermal conductivity of samples prepared according to the manufacturing method of the thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention for each temperature, (b) is a graph showing the value of ZT for each temperature.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재 분말의 제조방법을 나타낸 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 급속고화법을 활용한 열전소재 분말 제조법은 안티모니(Sb)를 포함하며, 최종 제조될 열전소재 분말의 Sb의 최종함량보다 1/120이상 10/120이하 높은 Sb함량을 갖는 분말 원재료를 준비하는 원재료 준비단계(S110), 분말 원재료를 진공 밀봉하고, 용융하여 잉곳을 만드는 단계(S120), 잉곳을 재용융시키고 급속고화법으로 응고시켜서 응고물을 만드는 단계(S130), 응고물을 분쇄하는 원료 분말 제조 단계(S140) 및 소결하는 단계(S150)를 포함한다.1, the thermoelectric material powder manufacturing method using the rapid solidification method according to an embodiment of the present invention contains antimony (Sb), and 1/120 or more than the final content of Sb in the final manufactured thermoelectric material powder Raw material preparation step (S110) of preparing a powder raw material having a high Sb content of 10/120 or less, vacuum sealing and melting the powder raw material to make an ingot (S120), re-melting the ingot and solidifying it by rapid solidification It includes a step of making water (S130), a step of preparing a raw powder for pulverizing the coagulated product (S140), and a step of sintering (S150).

본 발명의 가장 큰 특징은 급속고화법으로 그래인 사이즈를 나노미터 크기로 조절하여 포논의 산란을 증대시킨다는 점과, 급속고화법 도중에 발생하는 원소 별 소실 편차를 보상하여 2차상이 생성되지 않는다는 점에 있다.The biggest feature of the present invention is that it increases the scattering of phonons by adjusting the grain size to a nanometer size by the rapid solidification method, and that a secondary phase is not generated by compensating for the disappearance deviation by element occurring during the rapid solidification method is in

원재료를 준비하는 단계(S110)에서, 열전 소재의 조합비에 맞는 분말 원재료를 준비한다. 분말 원재료는 스커터루다이트(Skutterudite; 이하 SKD)계 열전 재료일 수 있다. 따라서, 분말 원재료는 Sb를 포함할 수 있으며, 코발트(Co)를 포함할 수 있다. 한편, Co 중 일부를 철(Fe)로 치환된 SKD계 열전소자를 만들 기 위하여 Co 중 일부를 Fe로 대체할 수 있으며, R이 네오디뮴(Nd)인 SKD계 열전소자를 만들 경우 Nd를 더 포함할 수 있다.In the step of preparing the raw material (S110), a powder raw material suitable for the combination ratio of the thermoelectric material is prepared. The powder raw material may be a Skutterudite (hereinafter, SKD)-based thermoelectric material. Accordingly, the powder raw material may include Sb and may include cobalt (Co). On the other hand, in order to make a SKD-based thermoelectric element in which a part of Co is substituted with iron (Fe), a part of Co can be substituted with Fe, and Nd is further included when making an SKD-based thermoelectric element in which R is neodymium (Nd). can do.

Nd, Fe, Co는 급속고화법이 적용될 때에도 거의 소실되지 않는다. 따라서, Nd, Fe, Co는 기존의 SKD계 열전소재의 비율과 같이 0.9:3.5:0.5로 준비하여도 무방하다.Nd, Fe, and Co are hardly lost even when the rapid solidification method is applied. Therefore, Nd, Fe, and Co may be prepared in a ratio of 0.9:3.5:0.5 similar to that of the conventional SKD-based thermoelectric material.

SKD계 열전소재에서 Fe와 Co의 합산된 원자수비를 4로 두었을 때, Sb의 이론상 함량비는 12이다. Sb는 급속고화법을 적용할 경우다량 증발되어 소실이 일어난다. 따라서, 이를 보상하기 위하여 Sb는 12보다 큰 함량비로 준비할 수 있다. 구체적으로 1/120 이상 10/120이하의 함량이 추가된 12.1 이상 13이하의 함량비만큼 준비할 수 있다.In the SKD-based thermoelectric material, when the sum of the atomic ratios of Fe and Co is 4, the theoretical content ratio of Sb is 12. When the rapid solidification method is applied, a large amount of Sb evaporates and disappears. Therefore, in order to compensate for this, Sb may be prepared at a content ratio greater than 12. Specifically, it may be prepared as much as a content ratio of 12.1 or more and 13 or less to which a content of 1/120 or more and 10/120 or less is added.

진공 밀봉 및 용융단계(S120)에서, 분말 원재료를 진공 밀봉하고, 분말 원재료를 가열하여 용융한다.In the vacuum sealing and melting step ( S120 ), the powder raw material is vacuum sealed, and the powder raw material is heated and melted.

분말 원재료를 내화재가 코팅된 도가니에 넣고, 10-2Torr이하의 진공도를 유지하며 밀봉할 수 있다. 분말 원재료는 가열 과정에서 도가니와 반응할 수 있으므로, 내화재로 코팅된 도가니에 담기는 것이 바람직하다. 도가니는 열전도도가 높고 내구성 및 내화성이 높은 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 석영관일 수 있다. 또한, 도가니를 코팅하는 내화재는 탄소일 수 있다.The powder raw material is put in a crucible coated with a refractory material, and it can be sealed while maintaining a vacuum degree of 10 -2 Torr or less. Since the powder raw material may react with the crucible during the heating process, it is preferable to put it in a crucible coated with a refractory material. The crucible may be made of a material having high thermal conductivity and high durability and fire resistance, and may be, for example, a quartz tube. In addition, the refractory material for coating the crucible may be carbon.

분말 원재료는 산화될 수 있으므로, 환원분위기에서 용융되는 것이 바람직하다. 따라서, 높은 진공도에서 밀봉되는 것이 바람직하다.Since the powder raw material may be oxidized, it is preferable to melt in a reducing atmosphere. Therefore, it is preferable to be sealed at a high degree of vacuum.

도가니에서 분말 원재료는 가열되어 용융된다. 구체적으로 분말 원재료는 고주파 유도 용해로로 가열될 수 있다. 고주파 유도 용해로는 가열수단이 분말 원재료와 물리적으로 분리되어 있으므로, 이물질이 섞일 가능성이 낮으므로 분말 원재료 용융에 특히 적합하다.In the crucible, the powder raw material is heated and melted. Specifically, the powder raw material may be heated in a high frequency induction melting furnace. Since the heating means is physically separated from the powder raw material, the high frequency induction melting furnace is particularly suitable for melting powder raw materials because the possibility of mixing with foreign substances is low.

고주파 유도 용해로는 6kw이상 8kw이하의 전력으로 분말 원재료를 용해할 수 있다. 고주파 유도 용해로에 가해주는 전력의 하한은 고주파 유도 용해로의 단열 성능에 따라 달라질 수 있다. 일반적인 단열수단으로 용해로를 사용하는 경우 6kw 이상의 열을 가해주는 것이 바람직하며, 8kw이상의 열을 가할 경우 열효율이 낮아지는 문제가 있다.High frequency induction melting furnace can melt powder raw materials with power of 6kw or more and 8kw or less. The lower limit of the electric power applied to the high frequency induction furnace may vary depending on the insulation performance of the high frequency induction furnace. In the case of using a melting furnace as a general thermal insulation means, it is preferable to apply heat of 6 kw or more, and when heat of 8 kw or more is applied, there is a problem in that the thermal efficiency is lowered.

고주파 유도 용해로는 중주파 이상의 주파수를 사용할 수 있으며, 구체적으로 30kHz이상 50kHz이하의 주파수가 사용될 수 있다. 고주파 유도 용해 기술은 유도전기가 인가되는 물질이 금속인지, 비금속인지에 따라 적용 주파수가 바뀌는데, 석영관의 경우 전기전도도가 비교적 높은 비금속이기 때문에 중주파에서 가열될 수 있다. 그러나 일반적인 비금속 도가니에 대한 가열처럼 고주파나 라디오주파(10kHz~500kHz)가 사용될 수도 있다.High frequency induction melting furnace may use a frequency of more than medium frequency, specifically, a frequency of 30 kHz or more and 50 kHz or less may be used. In the high-frequency induction melting technology, the application frequency changes depending on whether the material to which induction electricity is applied is a metal or a non-metal. However, high frequency or radio frequency (10 kHz to 500 kHz) may be used as heating for a general non-metallic crucible.

가열시간은 인가되는 전력 및 주파수, 도가니의 재질에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 70분 이상의 시간 동안 모든 분말 원재료가 용융될 때까지 가열될 수 있다.The heating time may vary depending on the applied power and frequency, and the material of the crucible. For example, it may be heated for a time period of 70 minutes or more until all powder raw materials are melted.

용융이 완료된 후 10분 이상 30분 이하의 시간 동안 원재료가 용융된 용융액이 공랭될 수 있다. 용융이 진행됨에 따라 분말 원재료의 사이에 있는 공기 등이 용융액에 포함되게 된다. 용융액은 높은 점성을 가지므로 용융 시 공기 등이 빠져나오지 못하는 경우가 있다. 따라서, 일정 시간 동안 용융액을 공랭시켜서 용융액 내부의 공기 등을 표면으로 배출시킬 수 있다. 공랭을 통해 용융액이 응고되면 잉곳이 완성된다.After the melting is completed, the melt in which the raw material is melted may be air-cooled for a period of 10 minutes or more and 30 minutes or less. As the melting proceeds, air or the like between the powder raw materials is included in the melt. Since the melt has a high viscosity, there are cases in which air or the like cannot escape during melting. Therefore, it is possible to air-cool the melt for a certain period of time to discharge air or the like inside the melt to the surface. When the melt solidifies through air cooling, the ingot is completed.

잉곳을 재용융하고 급속고화법으로 응고물이 제조된다(S130).The ingot is re-melted and a solidified product is prepared by a rapid solidification method (S130).

석영관이 있는 유도 용해로에서 직접 급속고화법으로 응고시키는 것이 바람직하나, 현실적으로 유도 용해로와 급속고화법을 적용하는 장비가 상이한 경우가 많다. 따라서, 유도 용해로에서 제작된 잉곳을 급속과화법을 사용할 수 있는 급속고화 방비 내에서 탄소 도가니(carbon crucible)에 넣고 유도 용해방식으로 용융하여 용융액을 만든다. 이후 급속고화법으로 응고시킨다.Although it is preferable to solidify directly by the rapid solidification method in an induction melting furnace having a quartz tube, in reality, the equipment for applying the induction melting furnace and the rapid solidification method is different in many cases. Therefore, the ingot manufactured in the induction melting furnace is put into a carbon crucible within the rapid solidification defense that can use the rapid heating method and melted by the induction melting method to make a melt. It is then solidified by a rapid solidification method.

급속고화법은 용융된 물질을 급속냉각시켜 응고시키는 방법이다. 응고가 빠르게 일어나는 경우 그래인 등 미세구조 크기가 작아진다. 급속히 응고되는 경우 각 원자들이 결정화할 만큼 움직일 시간이 부족하기 때문이다. The rapid solidification method is a method of solidifying a molten material by rapidly cooling it. When solidification occurs quickly, the size of microstructures such as grains becomes smaller. When it solidifies rapidly, each atom does not have enough time to move to crystallize.

그래인의 사이즈가 큰 경우 포논은 그래인을 투과할 때 그래인 표면에서 산란이 일어나는데, 그래인 사이즈가 작아진 경우 그래인에 의해 산란이 더욱 많이 일어나게 된다. 다시 말해서 급속고화법을 사용하여 열전 소재 분말을 제작하면, 포논의 산란이 증대되고 이로 인하여 격자 열전도도가 감소되어 제벡 계수가 향상되는 효과가 있다.When the grain size is large, phonons are scattered on the grain surface when they pass through the grain. In other words, when the thermoelectric material powder is manufactured using the rapid solidification method, phonon scattering is increased, thereby reducing lattice thermal conductivity, and thus the Seebeck coefficient is improved.

급속고화법은 어떠한 방법을 사용하여도 무방하다. 다시 말해서, 대표적인 급속고화법인 용융스피닝법, 가스원자화법, 플라즈마 증착법, 원심분무법, 스플랫퀀칭법 중 어느 하나를 사용할 수 있다.Any method may be used for the rapid solidification method. In other words, any one of a typical rapid solidification method such as a melt spinning method, a gas atomization method, a plasma deposition method, a centrifugal spray method, and a splat quenching method may be used.

이중 용융스피닝법(melt spinning)은 빠른 속도로 다량의 용융액을 응고시킬 수 있으므로 특히 유리하다.The double melt spinning method is particularly advantageous because it can solidify a large amount of melt at a high speed.

용융스피닝법은 고속으로 회전하는 원판의 측면에 노즐로 용융액을 분사하는 방법일 수 있다. 원판은 50cm이상으로서, 500이상 4000rpm이하의 속도로 회전하는 것이 바람직하다. 원판은 열 전도도가 높은 구리와 같은 재질로 구성될 수 있다.The melt spinning method may be a method of spraying a melt with a nozzle on the side of the disk rotating at high speed. The disk is 50 cm or more, and it is preferable to rotate at a speed of 500 or more and 4000 rpm or less. The disk may be made of a material such as copper having high thermal conductivity.

용융액을 차가운 물체에 뿌려서 순식간에 응고시키는 방법이 용융스피닝법이다. 이때, 차가운 물체에 다량의 용융액을 뿌리는 경우 차가운 물체의 온도가 높아지므로 용융효율이 떨어지는 문제가 발생될 수 있다. 이 경우, 차가운 물체를 회전시키는 방법으로 냉각 정도를 균일화할 수 있다. The melt spinning method is a method of instantaneous solidification by spraying a molten solution on a cold object. At this time, when a large amount of molten liquid is sprayed on a cold object, the temperature of the cold object increases, so that a problem of lowering of the melting efficiency may occur. In this case, the degree of cooling can be uniformed by rotating the cold object.

따라서, 용융스피닝법에서 회전하는 물체의 회전속도 및 반경은 분사속도와 밀접한 연관이 있다. 빠른 속도로 회전할수록, 반경이 클수록 특정 순간에 분사된 용융액을 냉각시키는 열용량이 커지기 때문이다. 일반적인 분사 속도인 1mL/분 이하의 속도에 대하여, 30cm이상의 직경의 500이상 4000rpm이하의 속도의 원판이 바람직하다. 매우 적은 양만을 지속적으로 분사하여야 하므로 노즐을 사용하는 것이 바람직하다.Therefore, in the melt spinning method, the rotational speed and radius of a rotating object are closely related to the jetting speed. This is because the higher the rotation speed and the larger the radius, the greater the heat capacity for cooling the molten liquid sprayed at a specific moment. With respect to a speed of 1 mL/min or less, which is a general injection speed, a disk having a diameter of 30 cm or more and a speed of 500 or more and 4000 rpm or less is preferable. It is preferable to use a nozzle because only a very small amount must be continuously sprayed.

용융스피닝법은 환원분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 구체적으로 아르곤 분위기에서 수행할 수 있다. 또한, 분사액이 사방으로 비산하는 현상을 줄이기 위하여 0.5bar이하의 압력에서 수행될 수 있다.The melt spinning method is preferably performed in a reducing atmosphere. Specifically, it may be carried out in an argon atmosphere. In addition, it may be carried out at a pressure of 0.5 bar or less in order to reduce the phenomenon that the spray liquid is scattered in all directions.

용융액을 공기 중에 분사하므로, 응고 도중에 원재료가 산화될 수 있다. 이를 막기 위하여, 공기는 환원분위기가 적합하며, 미량의 용융액을 강하게 분사하여도 공기의 저항을 줄이기 위하여 진공에 가까운 환경에서 수행하는 것이 바람직하다.Since the melt is sprayed into the air, the raw material may be oxidized during solidification. To prevent this, a reducing atmosphere is suitable for air, and it is preferable to perform in an environment close to vacuum in order to reduce air resistance even when a small amount of melt is strongly sprayed.

용융스피닝법으로 회전하는 물체의 표면에서 응고된 응고물을 수집하여 분쇄하여, 원료분말을 제조한다(S140). 분쇄방법은 어떠한 방법도 무방하다. 응고물은 박막이 중첩된 리본형태이므로 비교적 적은 힘으로 분쇄가 가능할 수 있다. 따라서, 분쇄 방법은 볼 밀링, 어트리션밀링, 고에너지 밀링, 제트 밀링 등 다양한 방법이 사용될 수 있다.The solidified material solidified on the surface of the rotating object by the melt spinning method is collected and pulverized to prepare a raw material powder (S140). The grinding method may be any method. Since the solidified material is in the form of a ribbon with thin films overlapping, it can be crushed with relatively little force. Accordingly, as the grinding method, various methods such as ball milling, attribution milling, high energy milling, and jet milling may be used.

이후, 분쇄된 응고물을 소결한다(S150). 소결하는 방법은 특별히 한정되지 않으나, 소결 과정에서 재결정화가 일어나지 않는 방법이 바람직하다. 구체적으로 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 및 핫 프레스 소결(hot press sintering) 중 어느 하나 이상 일 수 있다.Thereafter, the pulverized solid is sintered (S150). The method of sintering is not particularly limited, but a method in which recrystallization does not occur during the sintering process is preferable. Specifically, it may be at least one of spark plasma sintering and hot press sintering.

분말에 스파크 플라즈마를 일으켜서 소결하는 스파크 플라즈마 소결은 단시간에 가열하여 소결되므로 입자가 이동하여 재결정화하는 시간을 최소화할 수 있다. 스파크 플라즈마 소결은 300℃이상 800℃이하의 온도에서 수행될 수 있다.Spark plasma sintering, in which the powder is sintered by generating spark plasma, is sintered by heating in a short time, so it is possible to minimize the time for particles to move and recrystallize. Spark plasma sintering may be performed at a temperature of 300°C or higher and 800°C or lower.

핫 프레스 소결은 분말에 압력을 가하여 밀착 면의 입자 이동 거리를 줄이는 방법으로 소결 속도를 높이는 방법이다. 핫 프레스 소결은 다양한 가열방법과 병용될 수 있다. 예를 들어, 스파크 플라즈마 소결과 핫 프레스 소결이 함께 사용될 수 있다. Hot press sintering is a method of increasing the sintering speed by applying pressure to the powder to reduce the movement distance of particles on the contact surface. Hot press sintering can be combined with various heating methods. For example, spark plasma sintering and hot press sintering may be used together.

핫 프레스 소결은 1Pa이상 100Pa이하의 낮은 압력에서 수행될 수 있다. 1Pa이하의 진공은 유지하기 어렵고 승화가 일어날 우려가 있다. 100Pa이상의 압력에서는 산화가 일어날 여지가 크다. 핫 프레스 소결은 5분이상 60분이하의 시간 동안 수행될 수 있으나, 스파크 플라즈마 소결의 온도 및 핫 프레스 소결에 적용되는 압력에 따라 그 시간은 유동적으로 결정될 수 있다.Hot press sintering can be performed at a low pressure of 1 Pa or more and 100 Pa or less. A vacuum of 1 Pa or less is difficult to maintain and sublimation may occur. Oxidation is highly likely to occur at pressures above 100Pa. The hot press sintering may be performed for a time of 5 minutes or more and 60 minutes or less, but the time may be flexibly determined according to the temperature of the spark plasma sintering and the pressure applied to the hot press sintering.

상술한 방법에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말이 수득될 수 있다.본 발명의 발명자들은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말 제조법에 따라 열전소재 분말을 제조하였으며, 제조된 열전소재 분말의 물성을 측정하였다.The thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention can be obtained by the above-described method. The inventors of the present invention prepared the thermoelectric material powder according to the thermoelectric material powder manufacturing method according to the embodiment of the present invention, The physical properties of the thermoelectric material powder were measured.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따른 실제 제조예와 이에 따라 제조된 열전소재 분말 샘플들의 물성 측정값을 도 2 내지 10을 참조하여 설명한다.Hereinafter, actual manufacturing examples according to the method for manufacturing the thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention and measured values of physical properties of the thermoelectric material powder samples prepared according to the method will be described with reference to FIGS. 2 to 10 .

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재분말의 제조법의 실제 제조예에서 원재료의 진공밀봉 및 잉곳 제조 단계를 설명하기 위한 단면도이다.2 is a cross-sectional view for explaining the vacuum sealing of the raw material and the ingot manufacturing step in the actual manufacturing example of the method for manufacturing the thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention.

<제조예><Production Example>

먼저 분말 원재료가 준비되었다. 본 발명의 일 실시예에서, Nd0.9Fe3.5Co0.5Sb12의 출발원료로서 Nd (Alfa Aesar, 99.1%), Fe (Alfa Aesr, 99.9%), Co (Alfa Aesar, 99.95%), Sb (High Purity Chemical, 99.999%)가 사용되었다.First, a powder raw material was prepared. In one embodiment of the present invention, as a starting material of Nd 0.9 Fe 3.5 Co 0.5 Sb 12 Nd (Alfa Aesar, 99.1%), Fe (Alfa Aesr, 99.9%), Co (Alfa Aesar, 99.95%), Sb (High Purity Chemical, 99.999%) was used.

본 발명은 제조과정에서 소실되는 Sb의 함량을 미리 보상하여 완제품의 조성을 정밀하게 제어하는 데에 특징이 있다. 본 발명의 발명자들은 Sb의 보상 함량 별 2차상의 생성 및 열전효과 특성을 확인하기 위하여 Sb의 함량에 따라 하기 [표 1]의 열전소재 분말샘플들을 제조하였다.The present invention is characterized in that the composition of the finished product is precisely controlled by compensating in advance the content of Sb lost in the manufacturing process. The inventors of the present invention prepared the thermoelectric material powder samples shown in [Table 1] according to the Sb content in order to confirm the generation of the secondary phase and the thermoelectric effect characteristics for each compensation content of Sb.

샘플 No.sample No. Nd:Fe:Co의 상대적 함량비Relative content ratio of Nd:Fe:Co Sb의 함량비Sb content ratio AA 0.9:3.5:0.50.9:3.5:0.5 12.012.0 BB 12.212.2 CC 12.412.4 DD 12.612.6 EE 1313

이후, 분말 원재료를 탄소가 코팅(220)된 석영관(210)에 넣었다. 석영관(210)을 챔버(230) 내에 넣고, 챔버(230)는 약 10-3Torr이하의 진공도를 유지하며 밀봉하였다. 챔버(230) 주위에는 고주파 유도 용해로(240)를 구비하여, 내부의 석영관(210)을 가열하였다.Thereafter, the powder raw material was put into the quartz tube 210 coated with carbon 220 . The quartz tube 210 was placed in the chamber 230, and the chamber 230 was sealed while maintaining a vacuum degree of about 10 -3 Torr or less. A high-frequency induction melting furnace 240 was provided around the chamber 230 to heat the inner quartz tube 210 .

밀봉된 석영관(210)은 고주파 유도 용해로(240)를 이용하여 7kW/40kHz의 전력과 주파수로 약 90분 동안 유도 용해하였고, 수축 및 기공을 최소화시키기 위해 용해 후 공랭하여 잉곳을 제작하였다.The sealed quartz tube 210 was induction-melted using a high-frequency induction melting furnace 240 at a power and frequency of 7kW/40kHz for about 90 minutes, and then melted and air-cooled to minimize shrinkage and pores to prepare an ingot.

도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법의 실제 제조예에서 급속고화법을 설명하기 위한 사시도 및 사진이다.3 and 4 are perspective views and photographs for explaining a rapid solidification method in an actual manufacturing example of a method for manufacturing a thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention.

본 실시예들에서는 급속고화법으로서, 용융스피닝법을 사용하여 리본 형태의 시료를 제조하였다. 챔버 내에서 분말 원재료를 용융시킨 후 응고시킨 잉곳을 탄소 도가니로 옮기고, 유도 용해방식으로 용융된다. 이렇게 제작된 용융액(310)을 탄소 도가니를 사이린지(320)로 사용하고, 탄소 도가니의 하부에 구비된 구멍을 노즐(330)로 삼아 구리로 제작된 회전 원판(340)의 측면에 분출시켰다. 챔버(230) 내부는 아르곤 분위기이며 챔버(230) 압력은 0.4bar로 유지되었다. 구리로 제작된 회전 원판(340)의 회전속도는 500 내지 4000rpm로 유지되었다.In these examples, a ribbon-shaped sample was prepared by using a melt spinning method as a rapid solidification method. After the powder raw material is melted in the chamber, the solidified ingot is transferred to a carbon crucible and melted by induction melting. The molten solution 310 produced in this way was ejected on the side of the rotating disk 340 made of copper using a carbon crucible as a syringe 320 and a hole provided at the bottom of the carbon crucible as a nozzle 330 . The inside of the chamber 230 was an argon atmosphere, and the chamber 230 pressure was maintained at 0.4 bar. The rotational speed of the rotating disk 340 made of copper was maintained at 500 to 4000 rpm.

제조된 리본은 막자 사발과 봉을 이용하여 갈아서 분말로 제조되었다. 이후, 제조된 분말을 방전 플라즈마 소결 장비를 이용하여 소결하였다. 구체적으로, 진공분위기에서 963K의 온도로 10분간 50MPa의 압력을 주어 소결을 진행하여 펠릿을 제조하였다.The prepared ribbon was made into powder by grinding using a mortar and rod. Then, the prepared powder was sintered using a discharge plasma sintering equipment. Specifically, pellets were prepared by sintering by applying a pressure of 50 MPa for 10 minutes at a temperature of 963 K in a vacuum atmosphere.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따라 제조된 샘플들의 전체 XRD및 사진 그래프이다.5 is an overall XRD and photographic graph of samples prepared according to a method of manufacturing a thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention.

도 5에서 x 값은 각 샘플들의 추가 Sb함량을 의미한다. 즉, Sb의 최종함량보다 더 넣은 함량비를 의미한다. x값 옆의 알파벳은 [표 1]의 샘플번호를 의미한다.In FIG. 5, a value of x means an additional Sb content of each sample. That is, it means a content ratio that is added more than the final content of Sb. The alphabet next to the x value means the sample number in [Table 1].

x=0.2인 B샘플에서는 A샘플에서 보이던 34.7°의 피크가 사라짐을 확인할 수 있다. 이에 대한보다 세부적인 설명을 위해 도 6을 참조한다.In sample B where x=0.2, it can be seen that the 34.7° peak seen in sample A disappears. For a more detailed description of this, refer to FIG. 6 .

도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따라 제조된 샘플들의 2차상 분석을 위한 31° 내지 36°의 XRD그래프이고 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따라 제조된 샘플들의 2차상 분석을 위한 38° 내지 41°의 XRD그래프이다.6 (a) is an XRD graph of 31° to 36° for secondary phase analysis of samples prepared according to the method of manufacturing a thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention, and (b) is an embodiment of the present invention It is an XRD graph of 38° to 41° for secondary phase analysis of samples prepared according to the method for preparing the thermoelectric material powder according to

도 6의 (a)를 참조하면, x=0인 샘플A의 31.9°, 33.6°, 34.7°에서 FeSb2가 형성되었음을 확인할 수 있다. 샘플A에서 FeSb2상은 Sb의 부족으로 인해 SKD상이 형성되지 못하여, 발생한 2차상이다. 이렇게 Fe가 2차상으로 소실되어 SKD상에서 부족해지는 경우 전도 특성이 저감되어 열전효과가 떨어질 수 있다.Referring to (a) of FIG. 6 , it can be confirmed that FeSb 2 was formed at 31.9°, 33.6°, and 34.7° of sample A with x=0. In Sample A, the FeSb 2 phase is a secondary phase generated because the SKD phase cannot be formed due to the lack of Sb. In this way, when Fe is lost in the secondary phase and becomes insufficient in the SKD phase, the conduction characteristics are reduced and the thermoelectric effect may be deteriorated.

x=0.2가 넘어서는 샘플B 내지 F의 경우 Sb가 충분히 공급되므로 2차상이 생성되지 않는다. In the case of samples B to F in which x=0.2 exceeds Sb, a secondary phase is not generated because Sb is sufficiently supplied.

도 6의 (b)를 참조하면, x=0.4를 초과하는 샘플C 내지 F에서 반응되지 않은 Sb의 피크가 41 °에서 발견되었다. 이를 통해, 샘플C 내지 F에서 Sb의 독립상이 생겨났음을 알 수 있다. SKD계 열전소자에 있어서, Sb의 독립상은 열전효율에 큰 영향을 미치지 않으며, 오히려 전기전도도를 향상시키는 역할을 한다. 따라서, 제벡 효과를 증대시키는 효과가 있다.Referring to (b) of FIG. 6 , the peak of unreacted Sb in samples C to F exceeding x=0.4 was found at 41°. Through this, it can be seen that an independent phase of Sb was generated in samples C to F. In the SKD-based thermoelectric element, the independent phase of Sb does not significantly affect the thermoelectric efficiency, but rather serves to improve electrical conductivity. Accordingly, there is an effect of increasing the Seebeck effect.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따라 제조된 샘플들에서 급속응고 후 리본 샘플의 정량을 분석한 Sb 정량분석 그래프이다.7 is a graph of quantitative analysis of Sb obtained by analyzing the quantity of ribbon samples after rapid solidification in samples prepared according to the method for preparing thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention.

그래프 상의 Sb 함량의 명목 비율(Nominal composition)은 실제 비율(Actual composition)보다 낮은 값을 갖는데, 급속고화법 과정에서 소실되는 양 때문이다. X=0.2일 때, 즉 12.2의 비율로 Sb를 함유할 때 실제 함량이 결정구조상 비율인 12에 근접함을 알 수 있다.The nominal composition of the Sb content on the graph has a lower value than the actual composition, because of the amount lost during the rapid solidification process. It can be seen that when X=0.2, that is, when Sb is contained in a ratio of 12.2, the actual content is close to 12, which is a ratio in the crystal structure.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따라 제조된 샘플들의 급속고화법에 따른 단면 미세구조를 나타낸 SEM 사진이다.8 is a SEM photograph showing the cross-sectional microstructure according to the rapid solidification method of samples prepared according to the method for manufacturing the thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 급속고화법을 사용하여 열전소재 분말의 그래인 크기를 나노 수준으로 제어하여 그래인의 전류 산란효과를 억제한다. SEM사진과 같이 샘플A 내지 E는 모두 급속고화법을 사용하여 제조하였으므로 표면의 그래인이 1μm이하의 균일한 크기로 제어되었다.The present invention suppresses the current scattering effect of the grain by controlling the grain size of the thermoelectric material powder to the nano level using the rapid solidification method. As shown in the SEM photograph, samples A to E were all prepared using the rapid solidification method, so that the grains on the surface were controlled to have a uniform size of 1 μm or less.

도 9의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따라 제조된 샘플들의 온도 별 전기전도도를 나타낸 그래프이고, (b)는 온도 별 제벡 계수를 나타낸 그래프이고, (c)는 온도 별 출력인자를 나타낸 그래프이다.Figure 9 (a) is a graph showing the electrical conductivity of each temperature of the samples prepared according to the manufacturing method of the thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention, (b) is a graph showing the Seebeck coefficient for each temperature, (c) ) is a graph showing the output factors for each temperature.

도 9의 (a)를 참조하면, 300K에서 500K까지의 온도 구간에서 Sb의 함량이 증가할수록 전기전도도가 향상됨을 확인할 수 있다. 특히 샘플C, D, E의 경우 전 온도 영역에서 전기전도도가 향상됨을 확인할 수 있다.Referring to (a) of FIG. 9 , it can be confirmed that the electrical conductivity is improved as the content of Sb increases in the temperature range from 300K to 500K. In particular, in the case of samples C, D, and E, it can be seen that the electrical conductivity is improved in all temperature ranges.

도 9의 (b)를 참조하면, 제벡 계수의 변화는 경향성은 없으나, 샘플 A에 비하여 샘플B 내지 E의 제벡 계수가 향상되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 9B , it can be seen that the Seebeck coefficient of samples B to E is improved compared to that of sample A, although there is no trend in the change of the Seebeck coefficient.

도 9의 (c)를 참조하면, 출력인자 역시 제벡 계수와 동일한 그래프 형태를 가지며, x=0.6인 샘플D가 최대값을 가짐을 알 수 있다.Referring to (c) of FIG. 9 , it can be seen that the output factor also has the same graph form as the Seebeck coefficient, and the sample D with x=0.6 has the maximum value.

도 10의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재 분말의 제조법에 따라 제조된 샘플들의 온도 별 열전도도를 나타낸 그래프이고, (b)는 온도 별 ZT의 값을 나타낸 그래프이다. 10 (a) is a graph showing the thermal conductivity of samples prepared according to the manufacturing method of the thermoelectric material powder according to an embodiment of the present invention for each temperature, (b) is a graph showing the value of ZT for each temperature.

도 10의 (a)를 참조하면, 모든 온도 영역에서 샘플 B의 열전도도가 최소값을 갖는다. Referring to (a) of FIG. 10 , the thermal conductivity of Sample B has a minimum value in all temperature regions.

도 10의 (b)를 참조하면, x=0.2인 샘플B의 그래프에서 ZT는 768K일 때 0.91로 최대값을 갖는다. 이는 앞서 살펴본 바와 같이 제벡 계수가 열전도도가 낮을수록 높은 값을 갖기 때문이다.Referring to (b) of FIG. 10 , in the graph of sample B where x=0.2, ZT has a maximum value of 0.91 when 768K. This is because, as described above, the Seebeck coefficient has a higher value as the thermal conductivity is lower.

x=0인 샘플A는 전 온도 영역에 대하여 ZT가 최저값을 가지므로, x가 0보다 크고 x=1이하인 구간에서 ZT가 높아지는 효과가 있다. ZT는 x=0.2에서 극대값을 가지나, x=0.1이상에서도 ZT가 높아지는 효과가 발생한다. 따라서, 본 명세서는 발명의 효과가 발생하는 구간을 Sb의 이론상 함량비의 1/120 이상 10/120 이하의 양을 청구범위로 한정하였다.Since the sample A with x=0 has the lowest ZT over the entire temperature range, there is an effect that the ZT is increased in the section where x is greater than 0 and x=1 or less. ZT has a maximum value at x=0.2, but the effect of increasing ZT occurs even at x=0.1 or higher. Therefore, in the present specification, the range in which the effect of the invention occurs is limited to 1/120 or more and 10/120 or less of the theoretical content ratio of Sb in the claims.

본 발명의 일 실시예에 따르면, Sb가 포함된 열전소자를 급속고화법으로 고화시키는 공정을 통해 제작하는 공정에 있어서, 분말 원재료의 Sb의 함량을 최종 Sb의 함량보다 증대시킴으로써, 열전소자의 소재 별 최종함량비를 정밀하게 제어할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the process of manufacturing a thermoelectric element containing Sb through a process of solidifying it by a rapid solidification method, by increasing the content of Sb in the powder raw material than the content of the final Sb, the material of the thermoelectric element It is possible to precisely control the final content ratio of each star.

본 발명의 일 실시예에 따르면, Sb가 포함된 열전소자를 급속고화법으로 고화시키는 공정을 통해 제작하는 공정에 있어서, 분말 원재료의 Sb의 함량을 최종 Sb의 함량보다 증대시킴으로써, 열전소자의 전기전도도를 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the process of manufacturing a thermoelectric element containing Sb through a process of solidifying by a rapid solidification method, by increasing the content of Sb of the powder raw material than the content of the final Sb, the electricity of the thermoelectric element Conductivity can be improved.

본 발명의 일 실시예에 따르면, Sb가 포함된 열전소자를 급속고화법으로 고화시키는 공정을 통해 제작하는 공정에 있어서, 분말 원재료의 Sb의 함량을 최종 Sb의 함량보다 증대시킴으로써, 열전도도를 저감시키고, 제벡 계수를 높일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the process of manufacturing a thermoelectric element containing Sb through a process of solidifying by a rapid solidification method, the content of Sb of the powder raw material is increased than the content of the final Sb, thereby reducing thermal conductivity and increase the Seebeck coefficient.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. The above description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and likewise components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.

210: 석영관 220: 탄소 코팅
230: 챔버 240: 고주파 유도 용해로
310: 용융액 320: 사이린지
330: 노즐 340: 회전 원판
210: quartz tube 220: carbon coating
230: chamber 240: high frequency induction melting furnace
310: melt 320: syringe
330: nozzle 340: rotating disk

Claims (20)

안티모니(Sb), 네오디뮴(Nd), 철(Fe) 및 코발트(Co)를 포함하며, 상기 철(Fe) 및 상기 코발트(Co) 원료 물질의 총 함량 고려하여 , 최종 제조될 열전소재 분말의 상기 Sb의 최종 함량보다 1/120이상 10/120이하 만큼 높은 Sb함량을 갖는 분말 원재료를 준비하는 원재료 준비단계;
상기 분말 원재료를 진공 밀봉하고 용융하여 잉곳을 만드는 단계;
상기 잉곳을 재용융하고 급속고화법으로 응고시켜 응고물을 만드는 단계;
상기 응고물을 분쇄하는 원료 분말 제조 단계 및
소결하는 단계를 포함하고,
상기 분말 원재료는 Nd:Fe:Co의 비율이 0.9: 3.5: 0.5이고, Sb의 비율은 이들 전체에 대하여 4.9:12.1 이상 13인 것을 특징으로 하는,
급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
It contains antimony (Sb), neodymium (Nd), iron (Fe) and cobalt (Co), and considering the total content of the iron (Fe) and the cobalt (Co) raw materials, the final manufactured thermoelectric material powder a raw material preparation step of preparing a powder raw material having an Sb content as high as 1/120 or more and 10/120 or less than the final content of Sb;
vacuum sealing and melting the powder raw material to make an ingot;
re-melting the ingot and solidifying it by a rapid solidification method to make a solidified product;
A raw material powder manufacturing step of pulverizing the coagulated product, and
sintering;
The powder raw material is characterized in that the ratio of Nd:Fe:Co is 0.9: 3.5: 0.5, and the ratio of Sb is 4.9:12.1 or more and 13 for all of them,
Thermoelectric material powder manufacturing method using rapid solidification method.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 분말 원재료를 진공 밀봉하고 용융하여 잉곳을 만드는 단계는,
상기 분말 원재료를 내화재가 코팅된 도가니에 넣고 10-2Torr이하의 진공도를 유지하며 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
According to claim 1,
The step of vacuum sealing and melting the powder raw material to make an ingot,
Thermoelectric material powder manufacturing method using rapid solidification method, characterized in that it comprises the step of putting the raw material powder into a crucible coated with a refractory material and sealing the vacuum degree of 10 -2 Torr or less.
제4항에 있어서,
상기 내화재는 탄소인 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
5. The method of claim 4,
Thermoelectric material powder manufacturing method using the rapid solidification method, characterized in that the refractory material is carbon.
제4항에 있어서,
상기 도가니는 석영관인 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
5. The method of claim 4,
Thermoelectric material powder manufacturing method using the rapid solidification method, characterized in that the crucible is a quartz tube.
제1항에 있어서,
상기 분말 원재료를 진공 밀봉하고 용융하여 잉곳을 만드는 단계는,
상기 분말 원재료를 담은 도가니를 고주파 유도 용해로로 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
According to claim 1,
The step of vacuum sealing and melting the powder raw material to make an ingot,
Thermoelectric material powder manufacturing method using the rapid solidification method, characterized in that it comprises the step of heating the crucible containing the powder raw material in a high-frequency induction melting furnace.
제7항에 있어서,
상기 고주파 유도 용해로는 6kw이상 8kw이하의 30kHz이상 50kHz이하의 주파수로 상기 도가니를 가열하는 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
8. The method of claim 7,
The high-frequency induction melting furnace is a thermoelectric material powder manufacturing method utilizing a rapid solidification method, characterized in that the crucible is heated at a frequency of 6kw or more and 8kw or less, 30kHz or more and 50kHz or less.
제7항에 있어서,
상기 분말 원재료를 진공 밀봉하고 용융하여 잉곳을 만드는 단계는,
상기 분말 원재료를 진공 밀봉하고, 70분이상 가열하여 용융하는 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
8. The method of claim 7,
The step of vacuum sealing and melting the powder raw material to make an ingot,
A thermoelectric material powder manufacturing method using a rapid solidification method, characterized in that the powder raw material is vacuum sealed and melted by heating for 70 minutes or more.
제1항에 있어서,
상기 분말 원재료를 진공 밀봉하고 용융하여 잉곳을 만드는 단계는,
상기 분말 원재료가 용융되고 10분이상 30분이하의 시간 동안 상기 용융된 분말 원재료를 공랭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
According to claim 1,
The step of vacuum sealing and melting the powder raw material to make an ingot,
Thermoelectric material powder manufacturing method using the rapid solidification method, characterized in that it further comprises the step of air-cooling the powder raw material is melted and the melted raw powder raw material for a time period of 10 minutes or more and 30 minutes or less.
제1항에 있어서,
상기 잉곳을 재용융시키고 급속고화법으로 응고시켜서 응고물을 만드는 단계는,
상기 급속고화법이 용융스피닝법, 가스원자화법, 플라즈마 증착법, 원심분무법 및 스플랫퀀칭법 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
According to claim 1,
The step of re-melting the ingot and solidifying it by a rapid solidification method to make a solidified product,
Thermoelectric material powder manufacturing method using the rapid solidification method, characterized in that the rapid solidification method is any one of a melt spinning method, a gas atomization method, a plasma deposition method, a centrifugal spray method, and a splat quenching method.
제11항에 있어서,
상기 잉곳을 재용융시키고 급속고화법으로 응고시켜 응고물을 만드는 단계는,
회전하는 원판의 측면에 재용융된 용융액을 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
12. The method of claim 11,
The step of re-melting the ingot and solidifying it by a rapid solidification method to make a solidified product,
Thermoelectric material powder manufacturing method using a rapid solidification method, characterized in that it comprises the step of spraying the re-melted melt on the side of the rotating disk.
제12항에 있어서,
상기 회전하는 원판은 500이상 4000rpm이하의 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
13. The method of claim 12,
Thermoelectric material powder manufacturing method using the rapid solidification method, characterized in that the rotating disk rotates at a speed of 500 or more and 4000 rpm or less.
제12항에 있어서,
상기 재용융된 용융액을 분사하는 단계는 아르곤 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
13. The method of claim 12,
The step of spraying the re-melted melt is a thermoelectric material powder manufacturing method using a rapid solidification method, characterized in that it is performed in an argon atmosphere.
제12항에 있어서,
상기 재용융된 용융액을 분사하는 단계는 0.5bar이하의 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
13. The method of claim 12,
The step of spraying the re-melted melt is a thermoelectric material powder manufacturing method using a rapid solidification method, characterized in that performed at a pressure of 0.5 bar or less.
제12항에 있어서,
상기 회전하는 원판은 구리 재질인 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
13. The method of claim 12,
Thermoelectric material powder manufacturing method using the rapid solidification method, characterized in that the rotating disk is made of copper.
제12항에 있어서,
상기 회전하는 원판은 직경이 30cm이상인 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
13. The method of claim 12,
Thermoelectric material powder manufacturing method using the rapid solidification method, characterized in that the rotating disk has a diameter of 30 cm or more.
제12항에 있어서,
상기 재용융된 용융액을 분사하는 단계는
상기 재용융된 용융액을 노즐을 사용하여 분사하는 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
13. The method of claim 12,
The step of spraying the re-melted melt is
Thermoelectric material powder manufacturing method using a rapid solidification method, characterized in that the re-melted melt is sprayed using a nozzle.
제1항에 있어서,
상기 소결하는 단계는
방전 플라즈마 소결 방법으로 소결하는 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
According to claim 1,
The sintering step
A thermoelectric material powder manufacturing method using a rapid solidification method, characterized in that sintering is performed by a discharge plasma sintering method.
제19항에 있어서,
상기 소결하는 단계는
0.5bar이하의 기압에서 900K이상의 온도로 10분이상 45MPa이상의 압력으로 소결되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속고화법을 활용한 열전소재 분말제조법.
20. The method of claim 19,
The sintering step
Thermoelectric material powder manufacturing method using a rapid solidification method, characterized in that it comprises the step of sintering at a temperature of 900K or more at an atmospheric pressure of 0.5 bar or less and a pressure of 45 MPa or more for 10 minutes or more.
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