KR102510159B1 - Thermoelectric Permingeatite Doped with 13 Group Elements and Its Solid-State Synthesis Process - Google Patents

Thermoelectric Permingeatite Doped with 13 Group Elements and Its Solid-State Synthesis Process Download PDF

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Abstract

본 발명은 13족 원소가 첨가된 퍼밍기어타이트 열전재료 및 이의 고상합성공정에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 열전성능을 향상시킬 수 있는 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트 열전소재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조방법은 기계적 합금법과 열간 압축공정을 이용하여 최적 공정 조건에서 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트(permingeatite) 열전재료를 효과적으로 제조할 수 있으며, 상기 방법으로 제조된 퍼밍기어타이트 열전재료의 경우 열전성능이 획기적으로 개선된 효과를 갖는다.The present invention relates to a firming geartite thermoelectric material to which a group 13 element is added and a solid-state synthesis process thereof, and more particularly, to a firming geartite thermoelectric material doped with aluminum (Al) or indium (In) capable of improving thermoelectric performance. and a manufacturing method thereof. The manufacturing method of the present invention can effectively manufacture a permingeatite thermoelectric material doped with aluminum (Al) or indium (In) under optimal process conditions by using a mechanical alloying method and a hot compression process. In the case of the modified fermingeartite thermoelectric material, the thermoelectric performance is remarkably improved.

Description

13족 원소가 첨가된 퍼밍기어타이트 열전재료 및 이의 고상합성공정{Thermoelectric Permingeatite Doped with 13 Group Elements and Its Solid-State Synthesis Process}Permingeatite thermoelectric material with group 13 elements added and its solid-state synthesis process

본 발명은 13족 원소가 첨가된 퍼밍기어타이트 열전재료 및 이의 고상합성공정에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 열전성능을 향상시킬 수 있는 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트 열전소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a firming geartite thermoelectric material to which a group 13 element is added and a solid-state synthesis process thereof, and more particularly, to a firming geartite thermoelectric material doped with aluminum (Al) or indium (In) capable of improving thermoelectric performance. and a manufacturing method thereof.

21세기에 들어 지구환경의 보존문제와 에너지 자원의 고갈 문제가 대두되어 대체 에너지 개발이 필요하다. 열전 에너지 변환 기술은 열에너지를 전기에너지로, 또는 전기에너지를 열에너지로 직접적인 변환이 가능하여 대체 에너지 기술로 주목 받고 있다. 열전재료는 자동차 및 산업폐열, 태양열 등의 버려지거나 방치되는 열에너지를 활용하여 전기에너지를 얻을 수 있으며, 또한 소음, 진동, 폐기물 등의 공해를 발생시키지 않는 친환경적 에너지 변환 소재이다.In the 21st century, the preservation of the global environment and the depletion of energy resources have emerged, requiring the development of alternative energy sources. Thermoelectric energy conversion technology is attracting attention as an alternative energy technology because it can directly convert thermal energy into electrical energy or electrical energy into thermal energy. Thermoelectric materials are eco-friendly energy conversion materials that can obtain electrical energy by utilizing abandoned or neglected thermal energy such as automobile and industrial waste heat and solar heat, and do not cause pollution such as noise, vibration, and waste.

열전변환 기술은 열전냉각 기술과 열전발전 기술로 분류할 수 있다. 열전냉각 기술은 지구온난화를 유발하는 냉매가스를 대체할 수 있고, 압축기가 필요 없어 진동과 소음이 없으며, 정밀한 온도제어가 가능하다는 장점이 있다. 한편 열전발전 기술은 재활용이 어려운 저온의 열에너지와 소규모 분산형의 열에너지까지 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 유일한 발전방식으로서, 수명이 길고 폐열을 전기로 변환시킬 수 있어 온실가스를 저감시킬 수 있는 등의 장점이 있다.Thermoelectric conversion technology can be classified into thermoelectric cooling technology and thermoelectric power generation technology. Thermoelectric cooling technology has the advantage of being able to replace refrigerant gas that causes global warming, eliminating vibration and noise as it does not require a compressor, and enabling precise temperature control. On the other hand, thermoelectric power generation technology is the only power generation method that can directly convert low-temperature thermal energy and small-scale distributed thermal energy that are difficult to recycle into electrical energy. has the advantage of

열전재료의 에너지 변환 효율은 무차원 성능지수(dimensionless figure of merit; ZT)에 의해 평가되며, ZT = α 2 σκ -1 T 로 정의된다. 여기서 α, σ, κ, T는 각각 제백계수, 전기 전도도, 열전도도, 절대온도이다. 제백계수는 단위 온도차당 기전력의 변화로 정의되며, 제백계수의 제곱과 전기 전도도의 곱을 출력인자(α2σ)라고 한다. 따라서 높은 성능을 갖는 열전재료를 얻기 위해선 높은 출력인자와 낮은 열전도도가 요구된다.Energy conversion efficiency of thermoelectric materials is evaluated by a dimensionless figure of merit ( ZT ), which is defined as ZT = α 2 σκ -1 T . where α, σ, κ, and T are the Seebeck coefficient, electrical conductivity, thermal conductivity, and absolute temperature, respectively. The Seebeck coefficient is defined as the change in electromotive force per unit temperature difference, and the product of the square of the Seebeck coefficient and the electrical conductivity is called the output factor (α 2 σ). Therefore, in order to obtain a thermoelectric material having high performance, a high power factor and low thermal conductivity are required.

최근 연구진들은 독성이 없으며, 지구상에 풍부한 원소들로 구성된 친환경적이고, 경제적인 열전재료에 대한 관심이 많아지고 있다. 그 중에서 Cu-Sb-Se 3원계 칼코게나이드(Chalcogenides)가 주목을 받고 있다. 퍼밍기어타이트(Permingeatite, Cu3SbSe4)는 zinc-blende 구조에서 파생된 space group

Figure 112021066710478-pat00001
에 속해 있다. Cu3SbSe4은 ZnSe보다 unit cell당 구성하는 원자수가 4배로 더 많으며, 결정구조는 three-dimensional framework Cu-Se 결합을 하고 있는 CuSe4 tetrahedrons과 one-dimensional array Sb-Se 결합을 하고 있는 SbSe4 tetrahedrons으로 이루어져 있다. Sb-Se 결합길이가 Cu-Se 결합길이보다 크며, CuⅠ-Se 결합길이와 CuⅡ-Se 결합길이도 다르기 때문에 이러한 결합길이의 차이는 전자이동과 포논 산란의 이방성을 증가시켜, 전기적 특성과 열적 특성에 영향을 준다고 보고되었다. Cu3SbSe4는 narrow direct band gap(0.13-0.42 eV)과 large carrier effective mass(~1.1 m0)때문에 주목을 받고 있는 열전재료이다. 그러나 Cu3SbSe4의 단점은 높은 전기적 비저항과 높은 열전도도를 갖고 있기 때문에 전기 전도도를 향상시키고 열전도도를 감소시킬 필요성이 있다.Recently, researchers are increasingly interested in eco-friendly and economical thermoelectric materials composed of non-toxic, earth-abundant elements. Among them, Cu-Sb-Se ternary chalcogenides are attracting attention. Permingeatite (Cu 3 SbSe 4 ) is a space group derived from a zinc-blende structure.
Figure 112021066710478-pat00001
belongs to Cu 3 SbSe 4 has 4 times more atoms per unit cell than ZnSe, and its crystal structure consists of three-dimensional framework Cu-Se bonded CuSe4 tetrahedrons and one-dimensional array Sb-Se bonded SbSe4 tetrahedrons. consist of. Since the Sb-Se bond length is larger than the Cu-Se bond length, and the CuI-Se bond length and CuII-Se bond length are also different, the difference in bond length increases the anisotropy of electron transfer and phonon scattering, resulting in electrical and thermal properties. has been reported to affect Cu 3 SbSe 4 is a thermoelectric material that has attracted attention because of its narrow direct band gap (0.13–0.42 eV) and large carrier effective mass (~1.1 m0). However, since Cu 3 SbSe 4 has a high electrical resistivity and high thermal conductivity, it is necessary to improve the electrical conductivity and reduce the thermal conductivity.

따라서 본 발명에서는 퍼밍기어타이트(Permingeatite, Cu3SbSe4) 열전소재의 성능을 개선하기 위하여 상온에서의 고에너지 볼밀 공정인 기계적합금화 방법 및 열간 압축공정을 이용하여 퍼밍기어타이트의 15족(BV) 원소인 Sb 자리에 13족(B) 원소인 알루미늄(Al) 또는 임듐(In)을 도핑한 Cu3Sb1-y(Al/In)ySe4 열전소재를 제조하였으며, 그 결과 Cu3SbSe4 열전소재 대비 열전성능이 크게 향상되는 효과를 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.Therefore, in the present invention, in order to improve the performance of the Permingeatite (Cu 3 SbSe 4 ) thermoelectric material, the mechanical alloying method, which is a high-energy ball mill process at room temperature, and the hot compression process are used to obtain the 15th group (B V ) Cu 3 Sb 1-y (Al/In) y Se 4 thermoelectric material doped with aluminum (Al) or imdium (In), a group 13 (B ) element, in place of element Sb, and as a result, Cu 3 Compared to SbSe 4 thermoelectric materials The present invention was completed by confirming the effect of greatly improving the thermoelectric performance.

한국등록특허 제10-1470197호Korean Patent Registration No. 10-1470197

따라서 본 발명의 목적은 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트 열전재료 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a firmingeartite thermoelectric material doped with aluminum (Al) or indium (In).

본 발명의 다른 목적은, 상기 방법으로 제조된 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트 열전재료를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a firmingeartite thermoelectric material doped with aluminum (Al) or indium (In) manufactured by the above method.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서,In order to achieve the object of the present invention as described above,

본 발명은 (a) 원료물질인 Cu, Sb 및 Se에 도핑원소 분말 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)을 혼합하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 혼합된 분말을 기계적으로 합금화하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계를 통해 합금화된 분말을 열간압축(Hot Pressing)하는 단계를 포함하는, 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트 열전재료 제조방법을 제공한다.The present invention comprises (a) mixing doping element powder aluminum (Al) or indium (In) with Cu, Sb and Se as raw materials; (b) mechanically alloying the powders mixed in step (a); and (c) hot pressing the alloyed powder through step (b).

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 도핑원소가 알루미늄(Al)인 경우 (a) 단계에서 Cu, Sb, Se 및 Al 분말은 Cu3Sb1-yAlySe4(0 < y < 1)의 화학양론 조성에 따라 혼합될 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the doping element is aluminum (Al), in step (a), the Cu, Sb, Se, and Al powders are Cu 3 Sb 1-y Al y Se 4 (0 < y < 1) It can be mixed according to the stoichiometric composition of

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 도핑원소가 인듐(In)인 경우 (a) 단계에서 Cu, Sb, Se 및 In 분말은 Cu3Sb1-yInySe4(0 < y < 1)의 화학양론 조성에 따라 혼합될 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the doping element is indium (In), in step (a), the Cu, Sb, Se, and In powders are Cu 3 Sb 1-y In y Se 4 (0 < y < 1) It can be mixed according to the stoichiometric composition of

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 도핑원소가 알루미늄(Al)인 경우 (a) 단계에서 Cu, Sb, Se 및 Al 분말은 Cu3Sb1-yAlySe4(y=0.04)의 화학양론 조성에 따라 혼합될 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the doping element is aluminum (Al), in step (a), the Cu, Sb, Se, and Al powders have a chemistry of Cu 3 Sb 1-y Al y Se 4 (y = 0.04) It can be mixed according to the stoichiometric composition.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 도핑원소가 인듐(In)인 경우 (a) 단계에서 Cu, Sb, Se 및 In 분말은 Cu3Sb1-yInySe4(y=0.04)의 화학양론 조성에 따라 혼합될 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the doping element is indium (In), in step (a), the Cu, Sb, Se, and In powders have a chemistry of Cu 3 Sb 1-y In y Se 4 (y = 0.04) It can be mixed according to the stoichiometric composition.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (b) 단계는 (a) 단계에서 혼합된 분말을 200 rpm 내지 600 rpm으로 1 시간 내지 48 시간 동안 볼 밀링하는 공정을 통해 기계적으로 합금화가 이루어질 수 있다. In one embodiment of the present invention, step (b) may be mechanically alloyed through a process of ball milling the powder mixed in step (a) at 200 rpm to 600 rpm for 1 hour to 48 hours.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (c) 단계에서 열간압축은 400~800K의 온도범위와 10~200MPa의 압력범위에서 1~3시간 동안 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the hot compression in step (c) may be performed for 1 to 3 hours in a temperature range of 400 to 800K and a pressure range of 10 to 200MPa.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트 열전재료를 제공한다.In addition, the present invention provides a firmingeartite thermoelectric material doped with aluminum (Al) or indium (In) manufactured by the above method.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 열전재료의 조성이 Cu3Sb0.96Al0.04Se4 또는 Cu3Sb0.96In0.04Se4일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the composition of the thermoelectric material may be Cu 3 Sb 0.96 Al 0.04 Se 4 or Cu 3 Sb 0.96 In 0.04 Se 4 .

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 열전재료가 500 ~ 650K의 온도에서 0.5 ~ 0.7 mWm-1K-2의 출력인자와 0.7 ~ 0.9 Wm-1K-1의 열전도도를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thermoelectric material may have an output factor of 0.5 to 0.7 mWm -1 K -2 and a thermal conductivity of 0.7 to 0.9 Wm -1 K -1 at a temperature of 500 to 650K.

본 발명의 제조방법은 기계적 합금법과 열간 압축공정을 이용하여 최적 공정 조건에서 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트(permingeatite) 열전재료를 효과적으로 제조할 수 있으며, 상기 방법으로 제조된 퍼밍기어타이트 열전재료의 경우 열전성능이 획기적으로 개선된 효과를 갖는다.The manufacturing method of the present invention can effectively manufacture a permingeatite thermoelectric material doped with aluminum (Al) or indium (In) under optimal process conditions by using a mechanical alloying method and a hot compression process. In the case of the modified fermingeartite thermoelectric material, the thermoelectric performance is remarkably improved.

도 1은 본 실시예에 따라 기계적합금화로 합성된 분말 Cu3Sb1-yB ySe4 시편의 X선 회절 분석 결과이다.
도 2는 본 실시예에 따라 열간압축 성형으로 소결한 Cu3Sb1-yB ySe4 시편의 X선 회절 분석 결과이다.
도 3은 본 실시예에 따라 제조된 Cu3Sb1-yB ySe4 시편의 BSE-SEM 이미지와 elemental line scans과 maps을 나타낸 것이다.
도 4는 본 실시예에 따라 제조된 Cu3Sb1-yB ySe4 시편의 캐리어 농도 및 이동도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 실시예에 따라 제조된 Cu3Sb1-yB ySe4 시편의 전기전도도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 실시예에 따라 제조된 Cu3Sb1-yB ySe4 시편의 제벡계수를 나타낸 것이다.
도 7은 본 실시예에 따라 제조된 Cu3Sb1-yB ySe4 시편의 출력인자를 나타낸 것이다.
도 8은 본 실시예에 따라 제조된 Cu3Sb1-yB ySe4 시편의 열전도도(к), 격자 열전도도(кL), 전자 열전도도(кE)를 나타낸 것이다(8a: 전체 열전도도, 8b: 격자 열전도도, 8c: 전자 열전도도).
도 9는 본 실시예에 따라 제조된 Cu3Sb1-yB ySe4 시편의 무차원 열전성능지수 (ZT) 나타내는 것이다.
1 is an X-ray diffraction analysis result of a powder Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 specimen synthesized by mechanical alloying according to the present embodiment.
2 is an X-ray diffraction analysis result of a Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 specimen sintered by hot compression molding according to the present embodiment.
3 shows a BSE-SEM image, elemental line scans, and maps of a Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 specimen prepared according to the present embodiment.
4 shows the carrier concentration and mobility of the Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 specimen prepared according to the present embodiment.
5 shows the electrical conductivity of the Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 specimen prepared according to the present embodiment.
6 shows the Seebeck coefficient of the Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 specimen prepared according to the present embodiment.
7 shows output factors of the Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 specimen prepared according to the present embodiment.
8 shows the thermal conductivity (к), lattice thermal conductivity (к L ), and electronic thermal conductivity (к E ) of the Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 specimen prepared according to the present embodiment (8a: Total thermal conductivity, 8b: lattice thermal conductivity, 8c: electronic thermal conductivity).
9 shows the dimensionless thermoelectric figure of merit (ZT) of the Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 specimen prepared according to the present embodiment.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.An embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 (a) 원료물질인 Cu, Sb 및 Se에 도핑원소 분말 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)을 혼합하는 단계;(b) 상기 (a) 단계에서 혼합된 분말을 기계적으로 합금화하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계를 통해 합금화된 분말을 열간압축(Hot Pressing)하는 단계를 포함하는, 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트 열전재료 제조방법을 제공한다.The present invention comprises (a) mixing doping element powder aluminum (Al) or indium (In) with raw materials Cu, Sb and Se; (b) mechanically alloying the powder mixed in step (a); ; and (c) hot pressing the alloyed powder through step (b).

본 발명의 상기 (a) 단계는 원료물질인 Cu, Sb, S 및 Al(또는 In) 원소 분말을 혼합하는 단계로서, 상기 원소 분말은 Cu3Sb1-yAlySe4(0 < y < 1) 또는 Cu3Sb1-yInySe4(0 < y < 1)의 화학양론 조성에 따라 혼합할 수 있으며, 바람직하게는 상기 원소 분말은 Cu3Sb1-yAlySe4(y=0.04) 또는 Cu3Sb1-yInySe4(y=0.04)의 화학양론 조성에 따라 혼합할 수 있다.The step (a) of the present invention is a step of mixing raw material Cu, Sb, S, and Al (or In) elemental powder, wherein the elemental powder is Cu 3 Sb 1-y Al y Se 4 (0 < y < 1) or Cu 3 Sb 1-y In y Se 4 (0 < y < 1) may be mixed according to the stoichiometric composition, and preferably the element powder is Cu 3 Sb 1-y Al y Se 4 (y = 0.04) or Cu 3 Sb 1-y In y Se 4 (y = 0.04).

본 발명의 실시예에서는, 알루미늄(Al) 또는 인듐(In) 도핑된 퍼밍기어타이트 Cu3Sb1-yAlySe4(y = 0.02, 0.04, 0.06, 0.08)과 Cu3Sb1-yInySe4(y = 0.02, 0.04, 0.06, 0.08)를 제조하기 위해 Cu(purity 99.9%, <45 μm, Kojundo), Sb(purity 99.999%, <150 μm, Kojundo), Se(purity 99.9%, <10 μm, Kojundo), Al(purity 99.9%, <106 μm, Kojundo), In(purity 99.99%, <75 μm, Kojundo)를 사용하였다. In an embodiment of the present invention, aluminum (Al) or indium (In) doped fermingite Cu 3 Sb 1-y Al y Se 4 (y = 0.02, 0.04, 0.06, 0.08) and Cu 3 Sb 1-y In Cu (purity 99.9%, <45 μm, Kojundo) , Sb (purity 99.999%, <150 μm, Kojundo), Se (purity 99.9 % , <10 μm, Kojundo), Al (purity 99.9%, <106 μm, Kojundo), and In (purity 99.99%, <75 μm, Kojundo) were used.

본 발명의 상기 (b) 단계는 상기 (a) 단계에서 혼합된 분말을 기계적으로 합금화하는 단계로서, 화학양론적조성에 맞추어 혼합된 분말을 볼-밀(ball-mill)법으로 기계적 합금하여 Cu3Sb1-yAlySe4(0 < y < 1) 또는 Cu3Sb1-yInySe4(0 < y < 1) 분말을 합성할 수 있다.The step (b) of the present invention is a step of mechanically alloying the powders mixed in the step (a), mechanically alloying the powders mixed according to the stoichiometric composition by a ball-mill method to Cu 3 Sb 1-y Al y Se 4 (0 < y < 1) or Cu 3 Sb 1-y In y Se 4 (0 < y < 1) powders can be synthesized.

상기 (b) 단계에서 볼-밀(ball-mill)법은 200 rpm 내지 600 rpm으로 1 시간 내지 48 시간 동안 수행될 수 있다.In step (b), the ball-mill method may be performed at 200 rpm to 600 rpm for 1 hour to 48 hours.

본 발명의 실시예에서는, 화학양론 조성에 맞게 웨잉한 원료 분말 20g과 직경 5mm의 스테인리스 스틸볼 400g을 경화강 용기(hardened steel jar)에 넣고, 강철용기 내부를 진공 상태로 만든 후 아르곤(Ar) 기체를 주입하고 Planetary ball mill(Fritsch, Pulverisette5)을 이용하여 350rpm의 회전속도로 12시간 동안 기계적합금화(Mechanical Alloying, 이하 ‘MA’라 약칭함)를 실시하였다.In an embodiment of the present invention, 20 g of the raw material powder weighed according to the stoichiometric composition and 400 g of a stainless steel ball having a diameter of 5 mm are placed in a hardened steel jar, and after evacuating the inside of the steel jar, argon (Ar) Gas was injected and mechanical alloying (hereinafter referred to as 'MA') was performed using a planetary ball mill (Fritsch, Pulverisette 5) at a rotation speed of 350 rpm for 12 hours.

본 발명의 (c) 단계는 상기 (b) 단계를 통해 합금화된 분말을 열간압축(Hot Pressing)하는 단계로서, 합금화된 분말을 열간 압축하여 소결함으로써 Cu3Sb1-yAlySe4(0 < y < 1) 또는 Cu3Sb1-yInySe4(0 < y < 1) 열전재료를 제조할 수 있다.Step (c) of the present invention is a step of hot pressing the alloyed powder through step (b), by hot pressing and sintering the alloyed powder to obtain Cu 3 Sb 1-y Al y Se 4 (0 < y < 1) or Cu 3 Sb 1-y In y Se 4 (0 < y < 1) thermoelectric materials can be manufactured.

상기 (c) 단계는 400~800K의 온도범위와 10~200MPa의 압력범위에서 1~3시간 동안 수행될 수 있다. 상기 범위보다 낮은 온도, 낮은 기압 및 짧은 시간동안 열간압축을 진행하는 경우 원하는 밀도로 성형하기 어렵고, 상기 범위보다 높은 온도, 높은 기압 및 오랜 시간에서 열간압축을 진행하는 경우 제2상이 형성되거나 칼코젠 원소가 휘발되는 문제가 발생할 수 있다.Step (c) may be performed for 1 to 3 hours in a temperature range of 400 to 800K and a pressure range of 10 to 200MPa. When hot compression is performed at a temperature lower than the above range, at a low atmospheric pressure and for a short time, it is difficult to form a desired density, and when hot compression is performed at a temperature higher than the above range, at a high atmospheric pressure and for a long time, a second phase is formed or chalcogen is formed. A problem of volatilization of the element may occur.

본 발명의 실시예에서는, 합금화된 분말을 내경 10mm의 그라파이트 몰드에 장입하여 573K에서 2시간 동안 70MPa의 압력으로 진공 열간압축성형(Hot Pressing, 이하 ‘HP’라 약칭함)을 진행하였다.In an embodiment of the present invention, the alloyed powder was loaded into a graphite mold having an inner diameter of 10 mm and subjected to vacuum hot pressing (hereinafter referred to as 'HP') at 573 K for 2 hours at a pressure of 70 MPa.

상기한 과정으로 제조된 시편에 대하여 다양한 물성을 측정하였다.Various physical properties were measured for the specimens prepared by the above process.

먼저, Cu Kα (40 kV, 30 mA) 방사선을 이용한 X-선 회절분석기(Bruker, D8-Advance)를 통해 1 mm (두께) x 10 mm (직경) 크기의 원판형으로 절단한 소결 시편의 상을 분석하였다. 0.02° step으로, 회절 각도는 2θ = 10-90°으로 측정하였다. TOPAS 프로그램으로 Rietveld refinement를 진행하여 소결체의 격자상수를 계산하였다. 시편의 단면 미세구조는 주사전자현미경(FEI, Quanta400)의 후방 전자 산란(BSE mode)기법을 이용하여 관찰하였다. 에너지 분산 X선 분광분석기(EDS; Bruker, XFlash4010)으로 각 원소의 에너지 레벨에 따른 elemental line scans and maps을 분석하였다. Van der Pauw 방법(Keithley 7065)으로 이용하여 자기장 1T와 전류 100mA 조건으로 Hall 계수를 측정하여 캐리어 농도와 이동도를 평가하였다. ZEM-3(Ulvac-Riko)을 사용하여 제백계수와 전기전도도를 측정하기 위해 시편을 3 mm x 3 mm x 9 mm 크기의 직각 기둥으로 절단하여 He 분위기에서 측정하였다. TC-9000H(Ulvac-Riko)을 사용하여 소결 시편을 1 mm (두께) x 10 mm (직경) 크기의 원판형으로 절단하여 laser flash 방법으로 진공분위기에서 열확산도, 비열 그리고 밀도를 측정하고 평가하였다. 측정된 제백계수, 전기전도도 및 열전도도로부터 323-623K 온도범위에서 열전 특성의 온도 의존성을 평가하였다.First, the image of the sintered specimen cut into a disc shape with a size of 1 mm (thickness) x 10 mm (diameter) through an X-ray diffractometer (Bruker, D8-Advance) using Cu Kα (40 kV, 30 mA) radiation was analyzed. With 0.02° step, the diffraction angle was measured as 2θ = 10-90°. Rietveld refinement was performed with the TOPAS program to calculate the lattice constant of the sintered body. The cross-sectional microstructure of the specimen was observed using the back electron scattering (BSE mode) technique of a scanning electron microscope (FEI, Quanta400). Elemental line scans and maps were analyzed according to the energy level of each element with an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS; Bruker, XFlash4010). Using the Van der Pauw method (Keithley 7065), the carrier concentration and mobility were evaluated by measuring the Hall coefficient under the conditions of a magnetic field of 1 T and a current of 100 mA. In order to measure the Seebeck coefficient and electrical conductivity using ZEM-3 (Ulvac-Riko), specimens were cut into rectangular pillars with a size of 3 mm x 3 mm x 9 mm and measured in a He atmosphere. Using the TC-9000H (Ulvac-Riko), the sintered specimen was cut into a disc shape with a size of 1 mm (thickness) x 10 mm (diameter), and thermal diffusivity, specific heat, and density were measured and evaluated in a vacuum atmosphere by the laser flash method. . The temperature dependence of thermoelectric properties was evaluated in the temperature range of 323-623K from the measured Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermal conductivity.

도 1은 기계적합금화로 합성된 분말 Cu3Sb1-yB ySe4 시편에 대한 X선 회절 패턴을 보여준다. 모든 시편의 회절 피크는 퍼밍기어타이트에 대한 표준 회절 패턴(ICDD PDF# 01-085-0003)과 일치하는 테트라고날 구조(tetragonal structure) 단일상을 나타내었다.1 shows an X-ray diffraction pattern of a powder Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 specimen synthesized by mechanical alloying. The diffraction peaks of all specimens showed a single phase with a tetragonal structure, consistent with the standard diffraction pattern for firmingeartite (ICDD PDF# 01-085-0003).

도 2는 열간압축 성형으로 소결한 Cu3Sb1-yB ySe4의 X선 회절 패턴을 나타낸 것이다. 기계적 합금화로 합성한 테트라고날 구조(tetragonal structure) 단일상이 573 K의 진공 열간 압축 성형 후 유지되었고, 상변화 및 2차상은 검출되지 않았다. 알루미늄(Al)과 인듐(In) 원소 도핑(치환)으로 인한 격자 상수의 변화를 알기 위해 Reitveld 분석을 진행하였다. 계산된 격자상수를 표 1에 정리하였다. 알루미늄(Al)의 도핑으로 a축의 격자상수가 0.5649 nm에서 0.5652-0.5653 nm으로, c축의 격자상수가 1.1247 nm에서 1.1249-1.1251 nm으로 변화하였다. 또한 인듐(In)의 도핑으로 a축의 격자상수가 0.5653-0.5654 nm으로, c축의 격자상수가 1.1253-1.1254 nm으로 증가하였다. 이는 알루미늄(Al)과 인듐(In)이 Sb 자리에 성공적으로 치환된 것을 의미하며, 도핑량 변화에 따른 격자상수의 변화는 크지 않았다. 2 shows an X-ray diffraction pattern of Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 sintered by hot compression molding. A single phase of tetragonal structure synthesized by mechanical alloying was maintained after vacuum hot compression molding at 573 K, and phase change and secondary phase were not detected. Reitveld analysis was performed to find out the change in lattice constant due to doping (substitution) of aluminum (Al) and indium (In) elements. The calculated lattice constants are summarized in Table 1. Doping with aluminum (Al) changed the a-axis lattice constant from 0.5649 nm to 0.5652-0.5653 nm and the c-axis lattice constant from 1.1247 nm to 1.1249-1.1251 nm. In addition, doping with indium (In) increased the a-axis lattice constant to 0.5653-0.5654 nm and the c-axis lattice constant to 1.1253-1.1254 nm. This means that aluminum (Al) and indium (In) were successfully substituted at the Sb site, and the change in lattice constant according to the change in doping amount was not large.

Cu3Sb1-y(Al/In)ySe4의 상대 밀도, 격자상수 및 로렌츠 수Relative density, lattice constant and Lorentz number of Cu 3 Sb 1-y (Al/In) y Se 4 SpecimenSpecimen Relative Density
[%]
Relative Density
[%]
Lattice Constant [nm]Lattice Constant [nm] Lorenz Number
[10-8V2K-2]
Lorenz Number
[10 -8 V 2 K -2 ]
a-axisa-axis c-axisc-axis Cu3SbSe4 Cu 3 SbSe 4 98.198.1 0.56490.5649 1.12471.1247 1.57121.5712 Cu3Sb0.98Al0.02Se4 Cu 3 Sb 0.98 Al 0.02 Se 4 98.098.0 0.56530.5653 1.12501.1250 1.81501.8150 Cu3Sb0.96Al0.04Se4 Cu 3 Sb 0.96 Al 0.04 Se 4 97.697.6 0.56520.5652 1.12491.1249 1.57731.5773 Cu3Sb0.94Al0.06Se4 Cu 3 Sb 0.94 Al 0.06 Se 4 97.597.5 0.56530.5653 1.12501.1250 1.76281.7628 Cu3Sb0.92Al0.08Se4 Cu 3 Sb 0.92 Al 0.08 Se 4 97.897.8 0.56530.5653 1.12511.1251 1.76971.7697 Cu3Sb0.98In0.02Se4 Cu 3 Sb 0.98 In 0.02 Se 4 99.299.2 0.56540.5654 1.12531.1253 1.20031.2003 Cu3Sb0.96In0.04Se4 Cu 3 Sb 0.96 In 0.04 Se 4 98.898.8 0.56530.5653 1.12531.1253 1.71071.7107 Cu3Sb0.94In0.06Se4 Cu 3 Sb 0.94 In 0.06 Se 4 98.298.2 0.56530.5653 1.12531.1253 1.74281.7428 Cu3Sb0.92In0.08Se4 Cu 3 Sb 0.92 In 0.08 Se 4 98.698.6 0.56530.5653 1.12541.1254 1.77571.7757

도 3은 Cu3Sb1-yB ySe4의 BSE-SEM images와 elemental line scan과 maps을 보여준다. 표 1의 높은 상대밀도와 같이 기공과 균열이 없는 치밀한 미세조직이 관찰되었고, 퍼밍기어타이트 상 이외에 2차상이 관찰되지 않았다. 이는 도 2의 XRD 상 분석 결과와 일치하였다. EDS 원소 분석 결과 모든 원소들이 균일하게 분포하였다. 3 shows BSE-SEM images, elemental line scans, and maps of Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 . As shown in Table 1, a dense microstructure without pores and cracks was observed, and no secondary phase other than the firming geartite phase was observed. This was consistent with the results of XRD image analysis in FIG. 2 . As a result of EDS elemental analysis, all elements were uniformly distributed.

도 4는 Cu3Sb1-yB ySe4의 전하이동 특성을 보여준다. Undoped 및 Al/In-doped 시편 모두 positive Hall 계수를 나타내 majority carrier가 hole인p-type 전도 특성을 보였다. 도핑하지 않은 Cu3SbSe4의 캐리어 농도는 5.2 x 1018 cm-3, 이동도는 49.9 cm2V-1s-1이었다. 알루미늄(Al)과 인듐(In)의 도핑 함량이 증가함에 따라 캐리어 농도가 증가하는 경향을 나타냈다. y = 0.08에서 Al-doped permingeatite는 8.2 x 1018 cm-3을, In-doped permingeatite는 9.2 x 1018 cm-3의 캐리어 농도를 나타냈다. 본 연구에서는 캐리어 농도가 증가함에 따라 이동도가 약간 증가하는 경향을 보였다. 이는 도 4와 같이 홀(Hall) 계수 측정 오차 범위 내의 변화를 나타내며, 알루미늄(Al)과 인듐(In) 도핑에 의해 비축퇴 반도체에서 축퇴 반도체로 전이되었기 때문으로 판단된다.4 shows charge transfer characteristics of Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 . Both undoped and Al/In-doped specimens showed positive Hall coefficients and showed p-type conduction characteristics in which majority carriers were holes. The carrier concentration of undoped Cu 3 SbSe 4 was 5.2 × 10 18 cm -3 , and the mobility was 49.9 cm 2 V -1 s -1 . The carrier concentration tended to increase as the doping contents of aluminum (Al) and indium (In) increased. At y = 0.08, Al-doped permingeatite showed a carrier concentration of 8.2 x 10 18 cm -3 and in-doped permingeatite showed a carrier concentration of 9.2 x 10 18 cm -3 . In this study, the mobility tended to increase slightly as the carrier concentration increased. This indicates a change within the Hall coefficient measurement error range, as shown in FIG. 4, and is determined to be due to a transition from a non-degenerate semiconductor to a degenerate semiconductor due to aluminum (Al) and indium (In) doping.

도 5는 Cu3Sb1-yB ySe4의 전기전도도에 대한 온도 의존성을 보여준다. Undoped 및 Al-doped permingeatite의 경우 온도가 증가하면 전기전도도가 약간 증가하였다. 그러나 In-doped permingeatite의 경우 온도 의존성이 거의 없는 축퇴 반도체 거동을 보였다. 일정 온도에서 알루미늄(Al)과 인듐(In) 도핑 함량이 증가할수록 전기전도도가 증가하였다. 인듐(In)을 도핑한 경우, 알루미늄(Al)을 도핑한 시편보다 높은 전기 전도도를 나타냈으며, 이는 도 4와 같이 캐리어 농도와 이동도가 높기 때문이다. Cu3SbSe4의 Sb5+자리에 Al3+ 또는 In3+가 치환되면 캐리어(hole)가 추가적으로 생겨 결과적으로 전기전도도가 증가한 결과이다. Cu3Sb0.92In0.08Se4가 323-623 K에서 (1.4-1.1) x 104 Sm-1의 가장 높은 전기전도도를 나타냈다. 5 shows the temperature dependence of the electrical conductivity of Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 . In the case of undoped and Al-doped permingeatite, the electrical conductivity increased slightly with increasing temperature. However, in the case of in-doped permingeatite, it showed degenerate semiconductor behavior with little temperature dependence. Electrical conductivity increased as the doping content of aluminum (Al) and indium (In) increased at a constant temperature. In the case of doping with indium (In), the electrical conductivity was higher than that of the specimen doped with aluminum (Al), which is because the carrier concentration and mobility are high, as shown in FIG. 4 . When Al 3+ or In 3+ is substituted for the Sb 5+ site of Cu 3 SbSe 4 , a carrier (hole) is additionally generated, resulting in an increase in electrical conductivity. Cu 3 Sb 0.92 In 0.08 Se 4 showed the highest electrical conductivity of (1.4-1.1) × 10 4 Sm -1 at 323-623 K.

도 6은 Cu3Sb1-yB ySe4의 제백계수의 온도 의존성을 보여준다. 모두 양수 값이므로 p 형 반도체 특성을 띄며, 주요 운반자가 정공임을 확인하였다. 일정 온도에서 알루미늄(Al)과 인듐(In) 도핑 함량이 증가할수록 캐리어 농도가 증가하여 제백계수는 감소하였다. 온도가 증가함에 따라 제백계수가 증가하였으나, Cu3SbSe4와 Cu3Sb0.96Al0.04Se4의 경우 약 500 K이상에서 감소하였다. 이는 진성 천이가 발생한 결과이다. Cu3Sb0.96Al0.04Se4의 제백계수는 온도가 증가함에 따라 473 K에서 326 μVK-1 로 최댓값을 가진 후, 623 K에서 304 μVK-1 로 감소하였다. 일정 온도 이상에서 제백계수가 감소한 이유는 가전자대로부터 열적으로 활동하는 소수 운반자인 전자농도가 증가하였기 때문이다.6 shows the temperature dependence of the Seebeck coefficient of Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 . Since they are all positive values, it shows p-type semiconductor characteristics, and it was confirmed that the main carrier is a hole. As the doping content of aluminum (Al) and indium (In) increased at a constant temperature, the carrier concentration increased and the Seebeck coefficient decreased. As the temperature increased, the Seebeck coefficient increased, but in the case of Cu 3 SbSe 4 and Cu 3 Sb 0.96 Al 0.04 Se 4 it decreased at about 500 K or higher. This is the result of an intrinsic transition. The Seebeck coefficient of Cu 3 Sb 0.96 Al 0.04 Se 4 had a maximum value of 326 μVK -1 at 473 K and then decreased to 304 μVK -1 at 623 K as the temperature increased. The reason why the Seebeck coefficient decreases above a certain temperature is because the concentration of electrons, which are thermally active minority carriers from the valence band, increases.

도 7은 Cu3Sb1-yB ySe4의 출력인자의 온도 의존성을 보여준다. 출력인자(PF = α2σ)는 제백계수(α)와 전기전도도(σ)에 비례하며, 열전 발전 소자의 output power와 관련있는 인자(factor)이다. Cu3SbSe4의 출력인자는 323-623 K에서 0.39-0.49 mWm-1K-2 로, 온도 의존성도 비교적 작았다. 알루미늄(Al)과 인듐(In)을 도핑한 결과 온도가 증가할수록 출력인자가 급격히 증가하였다. 또한, 인듐(In) 도핑 시편의 경우 고온에서 출력인자가 향상되었다. 623 K에서 Cu3SbSe4는 0.49 mWm-1K-2과 Cu3Sb0.96Al0.04Se4는 0.51 mWm-1K-2를 보였으나, Cu3Sb0.96In0.04Se4는 0.66 mWm-1K-2의 최대 출력인자를 나타냈다.7 shows the temperature dependence of the output factor of Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 . The output factor (PF = α2σ) is proportional to the Seebeck coefficient (α) and the electrical conductivity (σ), and is a factor related to the output power of the thermoelectric generator. The output factor of Cu 3 SbSe 4 was 0.39-0.49 mWm -1 K -2 at 323-623 K, and the temperature dependence was relatively small. As a result of doping with aluminum (Al) and indium (In), the output factor increased rapidly as the temperature increased. In addition, in the case of indium (In) doped specimens, the output factor was improved at high temperatures. At 623 K, Cu 3 SbSe 4 showed 0.49 mWm -1 K -2 and Cu 3 Sb 0.96 Al 0.04 Se 4 showed 0.51 mWm -1 K -2 , but Cu 3 Sb 0.96 In 0.04 Se 4 showed 0.66 mWm -1 K It showed a maximum output factor of -2 .

도 8은 Cu3Sb1-yB ySe4의 열전도도(к), 격자 열전도도(кL), 전자 열전도도(кE)를 보여준다. 열전도도는 포논에 의한 열전도도와 캐리어에 의한 열전도도에 의해 결정된다. 도 8a는 열전도도의 온도 의존성을 보여준다. 323-623 K에서 온도가 증가함에 따라 열전도도는 감소하는 경향을 보였다. Cu3Sb0.96Al0.04Se4는 623 K에서 0.74 Wm-1K-1, Cu3Sb0.96In0.04Se4는 523 K에서 0.84 Wm-1K-1의 최소 열전도도 값을 나타냈다. 그러나 일정 온도에서 알루미늄(Al)과 인듐(In) 도핑 함량이 증가할수록 열전도도가 증가하였다. 도 8b는 격자 열전도도를 나타낸다. 퍼밍기어타이트의 열전도도에는 격자 열전도도가 지배적인 것으로 나타났다. 알루미늄(Al)과 인듐(In)의 Sb자리 치환에 의한 격자 열전도도의 감소는 크지 않았다. Cu3SbSe4는 323-623 K에서 1.17-0.72 Wm-1K-1의 격자 열전도도를 나타냈다. Cu3Sb0.96Al0.04Se4는 623 K에서 0.69 Wm-1K-1, Cu3Sb0.96In0.04Se4는 523 K에서 0.76 Wm-1K-1의 최소 격자 열전도도 값을 나타냈다. 도 8c는 Wiedemann-Franz law(κE = LσT)에 의해 분리된 격자 열전도도와 전자 열전도도를 보여준다. 여기서 L은 온도 의존성 Lorenz number, T는 절대온도이다. 격자 열전도도는 음의 온도 의존성을 보였지만, 전자 열전도도는 양의 온도 의존성을 보였다. Cu3SbSe4의 전자 열전도도는 323-623 K에서 0.02-0.04 Wm-1K-1를 나타냈다. 알루미늄(Al)과 인듐(In) 도핑에 의해 캐리어 농도가 증가하여 623 K에서 Cu3Sb0.92Al0.08Se4는 0.09 Wm-1K-1, Cu3Sb0.92In0.08Se4는 0.11 Wm-1K-1의 전자 열전도도 값을 나타냈다.8 shows thermal conductivity (к), lattice thermal conductivity (кL), and electronic thermal conductivity (кE) of Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 . Thermal conductivity is determined by thermal conductivity by phonons and thermal conductivity by carriers. 8a shows the temperature dependence of thermal conductivity. At 323–623 K, the thermal conductivity tended to decrease with increasing temperature. Cu 3 Sb 0.96 Al 0.04 Se 4 showed the minimum thermal conductivity value of 0.74 Wm -1 K -1 at 623 K, and Cu 3 Sb 0.96 In 0.04 Se 4 showed the minimum thermal conductivity value of 0.84 Wm -1 K -1 at 523 K. However, as the aluminum (Al) and indium (In) doping content increased at a constant temperature, the thermal conductivity increased. Figure 8b shows the lattice thermal conductivity. It was found that the lattice thermal conductivity was dominant in the thermal conductivity of firmingeartite. The decrease in lattice thermal conductivity due to the Sb site substitution of aluminum (Al) and indium (In) was not significant. Cu 3 SbSe 4 exhibited lattice thermal conductivities of 1.17–0.72 W m −1 K −1 at 323–623 K. Cu 3 Sb 0.96 Al 0.04 Se 4 showed a minimum lattice thermal conductivity of 0.69 Wm −1 K −1 at 623 K, and Cu 3 Sb 0.96 In 0.04 Se 4 0.76 Wm −1 K −1 at 523 K. Figure 8c shows the lattice thermal conductivity and electronic thermal conductivity separated by the Wiedemann-Franz law (κE = LσT). where L is the temperature dependent Lorenz number and T is the absolute temperature. The lattice thermal conductivity showed a negative temperature dependence, but the electronic thermal conductivity showed a positive temperature dependence. The electronic thermal conductivity of Cu 3 SbSe 4 was 0.02-0.04 W m -1 K -1 at 323-623 K. The carrier concentration is increased by aluminum (Al) and indium (In) doping, and at 623 K, Cu 3 Sb 0.92 Al 0.08 Se 4 is 0.09 Wm -1 K -1 and Cu 3 Sb 0.92 In 0.08 Se 4 is 0.11 Wm -1 The electronic thermal conductivity value of K -1 is shown.

도 9는 Cu3Sb1-yB ySe4의 무차원 성능 지수(ZT)를 보여준다. ZT는 온도가 증가함에 따라 증가하였고, Cu3SbSe4는 623 K에서 최대 ZT = 0.39를 나타냈다. Cu3Sb0.96Al0.04Se4는 623 K에서 ZT = 0.42으로, Cu3Sb0.96In0.04Se4는 623 K에서 ZT = 0.47로 ZT 값이 약간 상승하였으나, 알루미늄(Al)과 인듐(In) 도핑 함량을 더욱 증가시키면 ZT 값이 감소하였다. 본 연구에서는 알루미늄(Al) 보다 인듐(In)의 도핑이 퍼밍기어타이트의 열전성능 개선에 효과적이라고 판단되었다. 또한 기계적 합금화와 열간압축성형의 고상합성 공정이 도핑된 퍼밍기어타이트 화합물을 제작하는데 후속 열처리가 필요없는 간편하고 유용한 공정이었다.9 shows the dimensionless figure of merit (ZT) of Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 . ZT increased with increasing temperature, and Cu 3 SbSe 4 showed the maximum ZT = 0.39 at 623 K. Cu 3 Sb 0.96 Al 0.04 Se 4 ZT = 0.42 at 623 K, Cu 3 Sb 0.96 In 0.04 Se 4 slightly increased ZT = 0.47 at 623 K, but aluminum (Al) and indium (In) doping When the content was further increased, the ZT value decreased. In this study, it was judged that indium (In) doping is more effective in improving the thermoelectric performance of firmingeartite than aluminum (Al). In addition, the solid-phase synthesis process of mechanical alloying and hot compression molding was a simple and useful process that did not require subsequent heat treatment to produce a doped fermingite compound.

종합하면, 기계적 합금화로 합성한 퍼밍기어타이트 Cu3Sb1-yB ySe4(B = Al, In; 0 ≤ y ≤ 0.08)분말을 열간 압축 성형으로 소결하였다. Sb 자리에 알루미늄(Al) 또는 인듐(In) 도판트(dopant) 첨가에 따른 상 변화, 미세조직, 전하 이동 및 열전 특성을 조사하였다. 모든 시편에서 테트라고날 구조의 퍼밍기어타이트 단일상이 관찰되었다. Undoped 및 Al/In-doped 시편 모두 positive Seebeck 및 홀(hole) 계수를 나타내므로 p형 전도 특성을 보였다. Al/In 도핑 함량이 증가할수록 캐리어 농도가 증가하여, 그 결과 Cu3SbSe4에 비해 전기전도도가 증가하고 제백계수가 감소하였다. Al/In 도핑에 의해 열전도도가 증가하였지만 파워 펙터가 증가하여, 결과적으로, 623 K에서 최대 ZT값 Cu3Sb0.96Al0.04Se4는 0.42, Cu3Sb0.96In0.04Se4는 0.47을 얻었다.In summary, the ferming geartite Cu 3 Sb 1-y B y Se 4 (B = Al, In; 0 ≤ y ≤ 0.08) powder synthesized by mechanical alloying was sintered by hot compression molding. Phase change, microstructure, charge transfer, and thermoelectric properties according to the addition of aluminum (Al) or indium (In) dopant to the Sb site were investigated. A single phase of fermingeartite with a tetragonal structure was observed in all specimens. Both undoped and Al/In-doped specimens showed positive Seebeck and Hall coefficients, indicating p-type conduction characteristics. As the Al/In doping content increased, the carrier concentration increased, and as a result, the electrical conductivity increased and the Seebeck coefficient decreased compared to Cu 3 SbSe 4 . The thermal conductivity increased by Al/In doping, but the power factor also increased. As a result, the maximum ZT values at 623 K were 0.42 for Cu 3 Sb 0.96 Al 0.04 Se 4 and 0.47 for Cu 3 Sb 0.96 In 0.04 Se 4 .

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 알루미늄(Al) 또는 인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트 열전재료를 제공한다.In addition, the present invention provides a firmingeartite thermoelectric material doped with aluminum (Al) or indium (In) manufactured by the above method.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 열전재료의 조성이 Cu3Sb0.96Al0.04Se4 또는 Cu3Sb0.96In0.04Se4인 경우 500 ~ 650K의 온도에서 0.5 ~ 0.7 mWm-1K-2의 출력인자와 0.7 ~ 0.9 Wm-1K-1의 열전도도를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the composition of the thermoelectric material is Cu 3 Sb 0.96 Al 0.04 Se 4 or Cu 3 Sb 0.96 In 0.04 Se 4 , the output power is 0.5 to 0.7 mWm -1 K -2 at a temperature of 500 to 650K. factor and a thermal conductivity of 0.7 to 0.9 Wm -1 K -1 .

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been looked at with respect to its preferred embodiments. Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope will be construed as being included in the present invention.

Claims (10)

인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트 열전재료로서,
상기 열전재료는 Cu3Sb0.96In0.04Se4 조성을 가지며,
상기 열전재료는 (a) 원료물질인 Cu, Sb 및 Se에 도핑원소 분말 인듐(In)을 혼합하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 혼합된 분말을 기계적으로 합금화하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계를 통해 합금화된 분말을 열간압축(Hot Pressing)하는 단계를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는, 인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트 열전재료.
As an indium (In) doped firming geartite thermoelectric material,
The thermoelectric material has a composition of Cu 3 Sb 0.96 In 0.04 Se 4 ,
The thermoelectric material may include (a) mixing indium (In) doping element powder with raw materials Cu, Sb, and Se; (b) mechanically alloying the powders mixed in step (a); and (c) hot pressing the alloyed powder through step (b).
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는 (a) 단계에서 혼합된 분말을 200 rpm 내지 600 rpm으로 1 시간 내지 48 시간 동안 볼 밀링하는 것을 특징으로 하는, 인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트 열전재료.
According to claim 1,
In step (b), the powder mixed in step (a) is ball milled at 200 rpm to 600 rpm for 1 hour to 48 hours.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 열간압축은 400~800K의 온도범위와 10~200MPa의 압력범위에서 1~3시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트 열전재료.
According to claim 1,
In the step (c), the hot compression is performed for 1 to 3 hours in a temperature range of 400 to 800K and a pressure range of 10 to 200MPa, indium (In) doped firming geartite thermoelectric material.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 열전재료는 623K의 온도에서 0.47 무차원 성능지수(ZT)를 가지는 것을 특징으로 하는, 인듐(In)이 도핑된 퍼밍기어타이트 열전재료.
According to claim 1,
The thermoelectric material is characterized in that it has a dimensionless figure of merit (ZT) of 0.47 at a temperature of 623K, indium (In) doped firming geartite thermoelectric material.
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