KR102696253B1 - Metal oxide nanoparticle embedded carbon nanotube based thermoelectric materials and method for manufacturring the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브를 포함하는 기재 및 상기 기재에 담지된 금속산화물 나노입자를 포함하는 열전소재을 제공한다. 본 발명에 따른 열전소재는 금속산화물 나노입자가 도입됨에 따라 p-Type 열전소재가 형성되고, 금속산화물 나노입자가 도입됨에 따라 열전소재의 열전도도는 제어되어 열전성능이 현저히 향상된 효과가 있다. 또한 본 발명은 용매 및 금속 산화물 전구체를 포함하는 금속 산화물 전구체 용액을 제조하는 단계; 상기 금속 산화물 전구체 용액을 탄소나노튜브를 포함하는 기재에 침지하는 단계; 및 상기 금속 산화물 전구체 용액이 함유된 상기 기재를 열처리하는 단계를 포함하는 열전소재의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a thermoelectric material comprising a substrate including carbon nanotubes and metal oxide nanoparticles supported on the substrate. The thermoelectric material according to the present invention forms a p-type thermoelectric material by introducing the metal oxide nanoparticles, and the thermal conductivity of the thermoelectric material is controlled by introducing the metal oxide nanoparticles, so that the thermoelectric performance is significantly improved. In addition, the present invention provides a method for producing a thermoelectric material including a step of producing a metal oxide precursor solution including a solvent and a metal oxide precursor; a step of immersing the metal oxide precursor solution in a substrate including carbon nanotubes; and a step of heat-treating the substrate containing the metal oxide precursor solution.
Description
본 발명은 탄소나노소재 기반 열전소재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브 내에 금속산화물 나노입자의 도입을 통해 열전도도가 제어된 열전소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric material based on carbon nanomaterials and a method for manufacturing the same, and more specifically, to a thermoelectric material having controlled thermal conductivity through the introduction of metal oxide nanoparticles into carbon nanotubes and a method for manufacturing the same.
열전현상은 열과 전기 사이의 가역적이고 직접적인 에너지 변환 현상으로, 열전소재 내부의 전자(electron) 및/또는 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상이다. 열전현상은 접점에 의하여 연결된 2개의 이종(dissimilar) 재료에 외부로부터 인가된 전류에 의해 이종 재료의 접점에서 열이 방출되거나 흡수되는 펠티어 효과(Peltier effect), 접점에 의하여 연결된 2개의 이종재료 양단의 온도차로부터 기전력이 발생하는 제벡효과(Seebeck effect), 및 소정의 온도 기울기를 가지는 재료에 전류가 흐르면 열이 방출되거나 흡수되는 톰슨 효과(Thomson effect)를 포함한다. Thermoelectric effect is a reversible and direct energy conversion phenomenon between heat and electricity, and is a phenomenon that occurs by the movement of electrons and/or holes inside a thermoelectric material. Thermoelectric effect includes the Peltier effect, in which heat is released or absorbed at the contact point of two dissimilar materials connected by a contact point when an external current is applied to the dissimilar materials; the Seebeck effect, in which an electromotive force is generated from the temperature difference between the two dissimilar materials connected by a contact point; and the Thomson effect, in which heat is released or absorbed when an electric current flows through a material having a predetermined temperature gradient.
높은 에너지 변환효율을 갖는 열전소재가 좋은 것이고, 높은 에너지 변환효율은 열전소재의 높은 제벡상수(Seebeck coeffiecence)와 전기전도도 및 낮은 열전도도로부터 얻어진다. 즉, 열전소재의 에너지 변환효율은 열전성능지수 (thermoelectric figure of merit, ZT)로 평가되며, 다음과 같은 식으로 나타낸다.A thermoelectric material with high energy conversion efficiency is good, and the high energy conversion efficiency is obtained from the high Seebeck constant, electrical conductivity, and low thermal conductivity of the thermoelectric material. That is, the energy conversion efficiency of a thermoelectric material is evaluated by the thermoelectric figure of merit ( ZT ), and is expressed by the following equation.
여기서 a는 제벡상수(Seebeck coefficient)이고, σ는 전기전도도(conductivity), k는 열전도도(thermal conductivity)이며, T는 절대온도(K)를 나타낸다.Here, a is the Seebeck coefficient, σ is electrical conductivity, k is thermal conductivity, and T represents the absolute temperature (K).
따라서 높은 에너지 변환효율을 얻기 위해서 제벡상수(Seebeck coeffiecence)와 전기전도도가 높으면서 열전도도가 낮은 열전소재에 주목하거나 이런 열전소재의 개발에 초점이 맞춰지고 있다. Therefore, in order to obtain high energy conversion efficiency, attention is being paid to thermoelectric materials with high Seebeck constant and electrical conductivity but low thermal conductivity, or the development of such thermoelectric materials is being focused on.
지금까지 열전소재의 제벡상수와 전기전도도가 높고, 열전도도가 낮아 열전성능지수(ZT) 값이 상온에서 약 1에 가까운 비스무스 텔루륨(Bi2Te3)기반의 무기 열전소재가 상업적으로 다양한 응용되고 있고 있으나, 매장량이 적은 희귀 금속원소로 이루어져 있고, 가공 온도가 높으며, 취성이 약하여 자유롭게 형태를 변화시키기 어려운 점이 있고, 제작 공정비용이 높다는 문제점도 있다.Up to now, inorganic thermoelectric materials based on bismuth tellurium (Bi 2 Te 3 ), which have high Seebeck constant and electrical conductivity and low thermal conductivity, resulting in a thermoelectric figure of merit (ZT) of close to 1 at room temperature, have been used in various commercial applications. However, they are composed of rare metal elements with limited reserves, have high processing temperatures, are brittle, and are difficult to freely change shape, and have high manufacturing process costs.
이러한 무기 열전소재의 문제점을 해결하기 위해서 탄소나노튜브와 무기 복합 열전소재가 개발되고 있으나, 유연성이 향상된다는 점을 제외하면 무기 열전소재의 문제점은 여전히 해결되지 못하고 있다.To solve the problems of these inorganic thermoelectric materials, carbon nanotubes and inorganic composite thermoelectric materials are being developed, but the problems of inorganic thermoelectric materials have not yet been solved, except for improved flexibility.
따라서 열전도도는 낮추면서 제벡상수 또는 전기전도도를 향상시켜 높은 에너지 변환효율을 나타내면서 높은 유연성 및 경제성을 가지는 유기 열전소재 개발이 시급하다. Therefore, there is an urgent need to develop organic thermoelectric materials that have high energy conversion efficiency while lowering thermal conductivity and improving Seebeck constant or electrical conductivity, and have high flexibility and economy.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로 탄소나노튜브 내에 금속산화물 나노입자가 도입되어 열전도도가 제어된 열전소재 및 이의 제조방법, 이를 포함하는 열전소자를 제공하고자 한다.The present invention was invented to solve the problems of the prior art as described above, and aims to provide a thermoelectric material having controlled thermal conductivity by introducing metal oxide nanoparticles into carbon nanotubes, a method for manufacturing the same, and a thermoelectric element including the same.
또한 본 발명은 p-type 특성을 가지며, 열전성능이 우수하여 에너지 변화효율이 높은 열전소재 및 이를 포함하는 열전소자를 제공하고자 한다.In addition, the present invention aims to provide a thermoelectric material having p-type characteristics, excellent thermoelectric performance, and high energy conversion efficiency, and a thermoelectric element including the same.
상기 목적을 달성하기 위해 탄소나노튜브를 포함하는 기재 및 상기 기재에 담지된 금속산화물 나노입자를 포함하는 열전소재를 제공할 수 있다.To achieve the above purpose, a thermoelectric material including a substrate including carbon nanotubes and metal oxide nanoparticles supported on the substrate can be provided.
본 발명의 일 양태에서, 상기 금속산화물의 금속은 Fe, Cu, 및 Co로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것일 수 있다.In one aspect of the present invention, the metal of the metal oxide may include one or more selected from the group consisting of Fe, Cu, and Co.
본 발명의 일 양태에서, 열전소재는 음의 표면전하를 갖는 것일 수 있다.In one aspect of the present invention, the thermoelectric material may have a negative surface charge.
본 발명의 일 양태에서, 금속산화물 전구체는 아세틸아세트산염일 수 있다.In one aspect of the present invention, the metal oxide precursor may be acetylacetate.
본 발명의 일 양태에서, 기재는 탄소나노튜브 시트일 수 있다.In one aspect of the present invention, the substrate may be a carbon nanotube sheet.
본 발명의 일 양태에서, 탄소나노튜브 100 중량부에 대하여 금속산화물 나노입자를 0.001 내지 10 중량부 포함할 수 있다.In one aspect of the present invention, 0.001 to 10 parts by weight of metal oxide nanoparticles may be included with respect to 100 parts by weight of carbon nanotubes.
본 발명의 일 양태에서, 금속산화물 나노입자의 평균 입경은 5 내지 50 nm일 수 있다.In one aspect of the present invention, the average particle diameter of the metal oxide nanoparticles may be 5 to 50 nm.
본 발명의 일 양태에서, 열전소재는 p-type일 수 있다.In one aspect of the present invention, the thermoelectric material may be p-type.
본 발명의 일 양태에서, 금속산화물 나노입자의 표면에 캡핑된 지방족 아민을 더 포함할 수 있다.In one aspect of the present invention, the metal oxide nanoparticle may further include an aliphatic amine capped on the surface.
본 발명의 일 양태에서, 공기 중에서 열전소재의 제벡상수 보존율이 90% 이상일 수 있다.In one aspect of the present invention, the Seebeck constant preservation rate of the thermoelectric material in air can be 90% or more.
본 발명의 일 양태에서, 열전소재는 다음 [식 1]을 만족하는 것일 수 있다.In one aspect of the present invention, the thermoelectric material may satisfy the following [Formula 1].
[식 1] 2≤(열전소재의 power factor/탄소나노튜브 시트의 power factor)[Formula 1] 2≤(power factor of thermoelectric material/power factor of carbon nanotube sheet)
본 발명의 다른 일 양태는 용매 및 금속산화물 전구체를 포함하는 금속산화물 전구체 용액을 제조하는 단계, 상기 금속산화물 전구체 용액을 탄소나노튜브를 포함하는 기재에 침지하는 단계, 및 상기 금속산화물 전구체 용액이 함유된 상기 기재를 열처리하는 단계를 포함하는 열전소재의 제조방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a method for producing a thermoelectric material, comprising the steps of preparing a metal oxide precursor solution containing a solvent and a metal oxide precursor, immersing the metal oxide precursor solution in a substrate containing carbon nanotubes, and heat-treating the substrate containing the metal oxide precursor solution.
본 발명의 일 양태에서, 용매는 극성 용매를 포함하는 열전소재의 제조방법일 수 있다. In one aspect of the present invention, the solvent may be a method for producing a thermoelectric material including a polar solvent.
본 발명의 일 양태에서, 금속산화물 전구체는 아세틸아세트염인 열전소재의 제조방법일 수 있다.In one aspect of the present invention, the metal oxide precursor may be a method for producing a thermoelectric material in which the metal oxide precursor is an acetylacetate.
본 발명의 일 양태에서, 열처리는 100℃ 내지 300℃에서 수행되는 열전소재의 제조방법일 수 있다.In one aspect of the present invention, the heat treatment may be a method for manufacturing a thermoelectric material performed at 100°C to 300°C.
본 발명의 일 양태에서, 상기 금속산화물 전구체 용액에 캡핑제로 지방족 아민이 더 포함되는 열전소재의 제조방법일 수 있다.In one aspect of the present invention, there may be a method for producing a thermoelectric material, wherein the metal oxide precursor solution further includes an aliphatic amine as a capping agent.
또한, 본 발명의 또 다른 일 양태는 전술한 열전소재를 포함하는 열전소자에 관한 것이다.In addition, another aspect of the present invention relates to a thermoelectric element including the thermoelectric material described above.
본 발명의 또 다른 일 양태는 제1전극; 제2전극; 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 배치되는 전술한 열전소자를 포함하는 열전모듈에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a thermoelectric module including a first electrode; a second electrode; and the above-described thermoelectric element disposed between the first electrode and the second electrode.
본 발명에 따른 열전소재는 탄소나노튜브 시트로 이루어진 것에 비해 계백상수가 현저히 향상되어 우수한 열전성능, 높은 에너지 변환효율을 나타낸다.The thermoelectric material according to the present invention exhibits excellent thermoelectric performance and high energy conversion efficiency due to a significantly improved white matter constant compared to a material made of carbon nanotube sheets.
본 발명에 따른 열전소재는 공기 중에 장시간 노출 시 제벡상수의 보존율(%)이 90% 이상이 유지되어 열전성능과 에너지 변환효율도 안정성이 유지된다. The thermoelectric material according to the present invention maintains a Seebeck constant preservation rate (%) of 90% or more when exposed to air for a long period of time, so that the thermoelectric performance and energy conversion efficiency are also maintained stably.
본 발명에 따른 열전소재를 포함하는 열전소자, 열전모듈은 에너지 변환효율이 높다.A thermoelectric element or thermoelectric module including a thermoelectric material according to the present invention has high energy conversion efficiency.
도 1은 본 발명에 따른 열전소재의 제조 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열전소재의 SEM사진(우측)과 캡핑처리된 경우 금속산화물 나노입자 표면에 지방족 아민이 캡핑된 모식도(좌측)을 나타낸 것이다.
도 3은 금속산화물 전구체인 Cu(AcAc)2가 포함된 금속산화물 전구체 용액을 탄소나노튜브가 포함된 기재에 침지한 후 열처리온도를 변화시켰을 때 열전소재의 전기전도도 변화를 나타낸 도면이다.
도 4는 금속산화물 전구체인 Cu(AcAc)2가 포함된 금속산화물 전구체 용액을 탄소나노튜브가 포함된 기재에 침지한 후 열처리온도를 변화시켰을 때 열전소재의 파워팩터(power factor) 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 열전소재를 공기 중에 노출시켰을 때 제벡상수의 보존율(%) 나타낸 것이다.Figure 1 is a schematic diagram of manufacturing a thermoelectric material according to the present invention.
Figure 2 shows an SEM image (right) of a thermoelectric material according to the present invention and a schematic diagram (left) showing aliphatic amine capping on the surface of metal oxide nanoparticles when capped.
Figure 3 is a diagram showing the change in electrical conductivity of a thermoelectric material when the heat treatment temperature is changed after immersing a metal oxide precursor solution containing Cu(AcAc) 2 , which is a metal oxide precursor, in a substrate containing carbon nanotubes.
Figure 4 is a diagram showing the change in the power factor of a thermoelectric material when the heat treatment temperature is changed after immersing a metal oxide precursor solution containing Cu(AcAc) 2 , which is a metal oxide precursor, in a substrate containing carbon nanotubes.
Figure 5 shows the conservation rate (%) of the Seebeck constant when the thermoelectric material according to the present invention is exposed to air.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings attached to the present invention. In explaining the present invention, specific descriptions of related known functions or configurations are omitted in order to avoid obscuring the gist of the present invention.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the embodiments according to the concept of the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to a specific disclosed form, and it should be understood that it includes all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
본 발명에서 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 갖는다. 본 발명의 설명에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이지, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. Unless otherwise defined herein, all technical and scientific terms have the meaning commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used in the description of the present invention is only for the purpose of effectively describing particular embodiments and is not intended to limit the present invention.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Also, when a part is said to “include” a certain component, this does not mean that it excludes other components, unless otherwise specifically stated, but rather that it may include other components. Also, singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.
이하에서 특별한 언급 없이 사용되는 단위는 중량으로 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미한다.Units used below without special mention are based on weight, and for example, units of % or ratio mean weight% or weight ratio.
또한 본 발명의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, (A), (B), (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. In addition, when describing components of the present invention, terms such as first, second, (A), (B), (a), (b), etc. may be used. These terms are only intended to distinguish the components from other components, and the nature, order, or sequence of the components are not limited by these terms.
이하 본 발명인 열전소재, 그 제조방법 및 열전소재를 포함하는 열전소자에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the thermoelectric material of the present invention, the manufacturing method thereof, and the thermoelectric element including the thermoelectric material will be described in detail.
본 발명은 열전소재를 제공하며, 상기 열전소재는 탄소나노튜브를 포함하는 기재 및 상기 기재에 담지된 금속산화물 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention provides a thermoelectric material, characterized in that the thermoelectric material includes a substrate including carbon nanotubes and metal oxide nanoparticles supported on the substrate.
탄소나노튜브는 큰 비표면적, 높은 전기전도도, 높은 열전도도, 균일한 기공 분포, 높은 기계적 강도 및 화학적 안정성을 갖고 있으므로, 전자, 정보산업 등에서 그 응용이 다양한 각도로 적용되고 있으나, 열전도도가 높다는 측면에서 열전소재로 적합하지 않다. 따라서 탄소나노튜브를 열전소재로 사용하기 위해서는 탄소나노튜브의 열전도도를 효과적으로 낮추는 것이 무엇보다 중요하다. Carbon nanotubes have a large surface area, high electrical conductivity, high thermal conductivity, uniform pore distribution, high mechanical strength, and chemical stability, and are therefore being applied to various fields such as electronics and information industries. However, they are not suitable as thermoelectric materials due to their high thermal conductivity. Therefore, in order to use carbon nanotubes as thermoelectric materials, it is most important to effectively lower the thermal conductivity of carbon nanotubes.
상기 탄소나노튜브를 포함하는 기재는 탄소나노튜브가 불규칙적으로 적층되어 형성된 탄소나노튜브 시트일 수 있고, 상기 기재는 다공성 형태인 것이 바람직하다. 다공성 정도는 특별히 한정하지 않지만, 20 내지 70% 기공도를 가질 수 있으며, 다공성을 가짐에 따라 금속산화물 나노입자와 탄소나노튜브 사이의 계면에서 포논 산란(phonon scattering) 효과가 촉진되어 탄소나노튜브의 열전도도를 낮아짐과 동시에 전기전도도 또는 제벡상수를 향상시키는데 더욱 효과적이다.The substrate including the above carbon nanotubes may be a carbon nanotube sheet formed by irregularly stacking carbon nanotubes, and it is preferable that the substrate has a porous form. The degree of porosity is not particularly limited, but may have a porosity of 20 to 70%, and as it has porosity, the phonon scattering effect is promoted at the interface between the metal oxide nanoparticles and the carbon nanotubes, thereby lowering the thermal conductivity of the carbon nanotubes and at the same time being more effective in improving the electrical conductivity or the Seebeck constant.
상기 탄소나노튜브를 포함하는 기재의 두께는 10 ㎛ 내지 200 ㎛일 수 있고, 좋게는 10 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있으며, 더 좋게는 20 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다.The thickness of the substrate including the carbon nanotubes may be from 10 ㎛ to 200 ㎛, preferably from 10 ㎛ to 100 ㎛, and more preferably from 20 ㎛ to 50 ㎛.
본 발명에서 사용한 탄소나노튜브는 플라즈마 처리에 의한 화학기상증착법으로 제조된 것일 수 있다.The carbon nanotubes used in the present invention may be manufactured by chemical vapor deposition using plasma treatment.
상기 기재에 담지된 금속산화물 나노입자의 금속은 Fe, Cu, 및 Co로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것일 수 있고, 좋게는 Fe 및 Cu일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. The metal of the metal oxide nanoparticles supported in the above description may include one or more selected from the group consisting of Fe, Cu, and Co, and may preferably be Fe and Cu, but may not be limited thereto.
상기 금속산화물 나노입자는 탄소나노튜브 내에 담지되어 탄소나노튜브와 금속산화물 사이의 계면에서 포논 산란을 촉진시켜 열전소재의 열전도도를 현저히 감소시킴과 동시에 열전소재의 전기전도도 또는 제벡상수를 상승시키는 역할을 한다.The above metal oxide nanoparticles are supported within carbon nanotubes and promote phonon scattering at the interface between the carbon nanotubes and the metal oxide, thereby significantly reducing the thermal conductivity of the thermoelectric material while simultaneously increasing the electrical conductivity or Seebeck constant of the thermoelectric material.
상기 금속산화물 나노입자는 전구체로부터 유래되고, 금속산화물 전구체는 아세틸아세트염일 수 있다. 구체적으로 철 아세틸아세트염(CAS No. 14024-18-1, 이하 Fe(AcAc)3이라 함), 구리 아세틸아세트염(CAS No. 13395-16-9, 이하 Cu(AcAc)2라고 함), 및 코발트 아세틸아세트염(CAS No. 14024-48-7, 이하 Co(AcAc)2이라 함)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있고, 좋게는 철 아세틸아세트염, 구리 아세틸아세트염일 수 있다. 상기 금속산화물 전구체들은 열처리에 의해 금속산화물 나노입자로 전환되면서 p-type의 열전소재를 형성할 수 있다. The above metal oxide nanoparticles are derived from a precursor, and the metal oxide precursor may be an acetylacetate. Specifically, it may be one or more selected from the group consisting of iron acetylacetate (CAS No. 14024-18-1, hereinafter referred to as Fe(AcAc) 3 ), copper acetylacetate (CAS No. 13395-16-9, hereinafter referred to as Cu(AcAc) 2 ), and cobalt acetylacetate (CAS No. 14024-48-7, hereinafter referred to as Co(AcAc) 2 ), and preferably iron acetylacetate and copper acetylacetate. The metal oxide precursors may form a p-type thermoelectric material by being converted into metal oxide nanoparticles by heat treatment.
상기 금속산화물 나노입자의 함량은 탄소나노튜브 100 중량부에 대하여 0.001 내지 10 중량부 포함할 수 있고, 좋게는 0.01 내지 10 중량부 포함할 수 있으며, 더 좋게는 1 내지 10 중량부 포함할 수 있다. 이를 만족하면 탄소나노튜브의 열전도도를 감소시키기에 충분하다.The content of the above metal oxide nanoparticles may be 0.001 to 10 parts by weight, preferably 0.01 to 10 parts by weight, and more preferably 1 to 10 parts by weight, based on 100 parts by weight of the carbon nanotubes. Satisfying this is sufficient to reduce the thermal conductivity of the carbon nanotubes.
상기 금속산화물 나노입자는 탄소나노튜브를 포함하는 기재에 해도구조(sea-island)를 형성하며 분산되어 위치할 수 있다. 이에 따라 금속산화물 나노입자는 연속상(continuous phase) 또는 이중연속상(bicontinuous phase)을 형성하지 않으며 하나의 단일 나노입자 또는 2 ~ 3 개의 나노입자가 응집되어 독립된 나노입자의 형상을 가지며, 상기 나노입자가 탄소나노튜브를 포함하는 기재 상에 분산되어 결착된 구조를 형성한다.The above metal oxide nanoparticles can be dispersed and positioned to form a sea-island structure on a substrate including carbon nanotubes. Accordingly, the metal oxide nanoparticles do not form a continuous phase or a bicontinuous phase, and have the shape of an independent nanoparticle by agglomeration of one single nanoparticle or 2 to 3 nanoparticles, and the nanoparticles are dispersed on a substrate including carbon nanotubes to form a bound structure.
금속산화물 나노입자의 평균입경은 5 내지 50 nm일 수 있고, 좋게는 5 내지 40 nm일 수 있고, 더 좋게는 5 내지 30 nm일 수 있다. 금속산화물 나노입자의 평균입경이 5 nm 미만이면 금속산화물 나노입자 간의 응집이 일어날 수 있고, 탄소나노튜브 내에 담지되는 형태가 불규칙적이어서 열전도도 감소에 효과적이지 않다. 또한 금속산화물 나노입자의 평균입경이 50 nm 초과하면 금속산화물 나노입자 간 응집되었을 때 그 크기 커서 탄소나노튜브가 포함된 기재의 기공을 막아 제벡상수를 낮출 수 있다. The average particle size of the metal oxide nanoparticles may be 5 to 50 nm, preferably 5 to 40 nm, and more preferably 5 to 30 nm. If the average particle size of the metal oxide nanoparticles is less than 5 nm, aggregation may occur between the metal oxide nanoparticles, and the shape in which they are supported within the carbon nanotubes is irregular, which is not effective in reducing thermal conductivity. In addition, if the average particle size of the metal oxide nanoparticles exceeds 50 nm, the size of the aggregation between the metal oxide nanoparticles may be large, thereby blocking the pores of the substrate including the carbon nanotubes, thereby lowering the Seebeck constant.
금속산화물 나노입자는 표면에 캡핑된 지방족 아민을 더 포함할 수 있다. 금속산화물 나노입자 표면에 캡핑된 지방족 아민으로 C8-C25의 지방족 아민일 수 있고, 구체적으로, 옥틸아민, 데실 아민, 도데실 아민, 도데실-테트라데실 아민, 테트라데실 아민, 헥사데실 아민, 옥타데실 아민, 스테아릴 아민, 올레일 아민 또는 에루실 아민일 수 있다. 이에 제한되지 않으나, 캡핑제로 올레일 아민을 사용하면 금속산화물 나노입자 표면과 결합력이 우수하여 열전소재를 공기 중에 장시간 노출되더라도 제벡상수가 90% 이상 유지되어 높은 에너지 변환 효율을 장기간 유지할 수 있게 된다. The metal oxide nanoparticles may further include an aliphatic amine capped on the surface. The aliphatic amine capped on the surface of the metal oxide nanoparticles may be a C8-C25 aliphatic amine, and specifically, may be octylamine, decyl amine, dodecyl amine, dodecyl-tetradecyl amine, tetradecyl amine, hexadecyl amine, octadecyl amine, stearyl amine, oleyl amine, or erucyl amine. Although not limited thereto, when oleyl amine is used as a capping agent, the bonding force with the surface of the metal oxide nanoparticles is excellent, so that even when the thermoelectric material is exposed to the air for a long time, the Seebeck constant is maintained at 90% or more, so that high energy conversion efficiency can be maintained for a long time.
본 발명에 따른 열전소재는 다음 [식 1]을 만족할 수 있다.The thermoelectric material according to the present invention can satisfy the following [Formula 1].
[식 1] 1.5≤(열전소재의 power factor/탄소나노튜브 시트의 power factor)[Formula 1] 1.5≤(power factor of thermoelectric material/power factor of carbon nanotube sheet)
도면 1은 본 발명에 따른 열전소재의 제조방법을 간략히 나타낸 모식도이다. 도면 1(a)를 참조하여 본 발명의 열전소재 제조방법을 설명하면, 화학기상증착법으로 제조된 탄소나노튜브를 포함하는 기재에 금속산화물 전구체와 용매가 포함된 금속산화물 전구체 용액 제조한 후 상기 금속산화물 전구체 용액을 기재에 침지하는 단계, 상기 금속산화물 전구체 용액이 함유된 기재를 열처리하는 단계를 포함하는 방법으로 열전소재를 제조할 수 있다. 이러한 제조방법은 열전도도(k)는 낮아지면서 제벡상수(a)는 향상되어 열전성능지수(ZT)가 높아져 에너지 변환효율이 높은 좋은 열전소재를 제조할 수 있다. Drawing 1 is a schematic diagram briefly showing a method for manufacturing a thermoelectric material according to the present invention. Referring to Drawing 1(a), the method for manufacturing a thermoelectric material of the present invention will be described. The method includes the steps of manufacturing a metal oxide precursor solution containing a metal oxide precursor and a solvent on a substrate including carbon nanotubes manufactured by a chemical vapor deposition method, immersing the substrate in the metal oxide precursor solution, and heat-treating the substrate containing the metal oxide precursor solution, thereby manufacturing a thermoelectric material. This manufacturing method can manufacture a good thermoelectric material with high energy conversion efficiency by lowering the thermal conductivity (k) while improving the Seebeck constant (a), thereby increasing the thermoelectric performance figure (ZT).
상기 금속산화물 전구체는 아세틸아세트염일 수 있다. 구체적으로 Fe(AcAc)3, Cu(AcAc)2, 및 Co(AcAc)2로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있고, 좋게는 Fe(AcAc)3, Cu(AcAc)2일 수 있다. 상기 금속산화물 전구체들은 열처리에 의해 p-type의 열전소재를 형성할 수 있다. The above metal oxide precursor may be an acetylacetate. Specifically, it may be one or more selected from the group consisting of Fe(AcAc) 3 , Cu(AcAc) 2 , and Co(AcAc) 2 , and preferably Fe(AcAc) 3 , Cu(AcAc) 2 . The above metal oxide precursors may form a p-type thermoelectric material by heat treatment.
상기 용매는 극성 용매일 수 있다. 극성 용매라면 특별히 종류를 한정하지 않는다. 극성 용매의 구체적인 예로, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 글리세린, 아세트산, 이염화메탄(CH2Cl2), 테트라하이드로퓨란(THF), 에틸아세테이트(C4O2H8), 벤질 알코올로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 바람직하게는 벤질 알코올이 효과적이다.The solvent may be a polar solvent. If it is a polar solvent, the type is not particularly limited. Specific examples of the polar solvent may include one or more selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, propanol, glycerin, acetic acid, dichloromethane (CH 2 Cl 2 ), tetrahydrofuran (THF), ethyl acetate (C 4 O 2 H 8 ), and benzyl alcohol. Benzyl alcohol is preferably effective.
상기 금속산화물 전구체 용액은 0.1M 내지 5M의 농도로 제조될 수 있고, 좋게는 0.5 M 내지 2 M일 수 있다. 상기 금속산화물 전구체 용액의 농도가 0.1M보다 낮으면 탄소나노튜브 내에 담지되는 금속산화물 나노입자의 양이 적어 탄소나노튜브를 포함하는 기재의 열전도도 감소와 전기전도도 향상에 효과적이지 않다. 또한 금속산화물 전구체 용액의 농도가 5M을 초과하면 금속산화물 나노입자가 서로 응집되어 탄소나노튜브를 포함하는 기재의 기공을 막을 수 있어 열전도도를 과도하게 높아져 에너지 변환 효율이 낮아질 우려가 있다.The above metal oxide precursor solution can be prepared at a concentration of 0.1 M to 5 M, and preferably 0.5 M to 2 M. If the concentration of the metal oxide precursor solution is lower than 0.1 M, the amount of metal oxide nanoparticles supported in the carbon nanotubes is small, so that it is not effective in reducing the thermal conductivity and improving the electrical conductivity of the substrate including the carbon nanotubes. In addition, if the concentration of the metal oxide precursor solution exceeds 5 M, the metal oxide nanoparticles may aggregate with each other and block the pores of the substrate including the carbon nanotubes, which may excessively increase the thermal conductivity and lower the energy conversion efficiency.
상기 열처리하는 단계는 100℃ 내지 300℃에서 10 내지 800분간 수행되는 될 수 있다. 좋게는 150℃ 내지 300℃일 수 있고, 더욱 좋게는 170℃ 내지 290℃일 수 있으며, 금속산화물 나노입자가 탄소나노튜트 내에 담지되어 탄소나노튜브의 열전도도를 낮추고 제벡상수를 증가시키기 위해서는 180℃ 내지 280℃에서 열처리할 수 있다. 상기 열처리에 의해서 탄소나노튜브가 포함된 기재에 침지된 금속산화물 전구체는 금속산화물 나노입자로 생성되고, 금속산화물 전구체의 금속 양이온과 짝을 이루던 음이온, 예를 들면 Cl-, NO3-, SO3-는 열처리에 의해 각각 HCl, HNO3, H2SO4와 같은 산 부산물로 생성되고, C5H7O2 -은 열처리에 의해 아세톤과 이산화탄소가 부산물로 생성된다. 이러한 부산물들은 열처리를 통해 휘발된다. 이와 같은 반응 메커니즘에 의해 본 발명의 열전소재는 음의 표면전하를 가질 수도 있다.The above heat treatment step may be performed at 100° C. to 300° C. for 10 to 800 minutes. Preferably, it may be 150° C. to 300° C., and more preferably, it may be 170° C. to 290° C. In order to lower the thermal conductivity of the carbon nanotubes and increase the Seebeck constant by supporting the metal oxide nanoparticles in the carbon nanotubes, the heat treatment may be performed at 180° C. to 280° C. By the heat treatment, the metal oxide precursor immersed in the substrate including the carbon nanotubes is generated as metal oxide nanoparticles, and the anions, for example, Cl - , NO3 - , SO3 - , which are paired with the metal cations of the metal oxide precursor, are generated as acid by-products, such as HCl, HNO 3 , and H 2 SO 4 , by the heat treatment, respectively, and C 5 H 7 O 2 - generates acetone and carbon dioxide as by-products by the heat treatment. These byproducts are volatilized through heat treatment. By this reaction mechanism, the thermoelectric material of the present invention may have a negative surface charge.
상기 열처리하는 단계는 10 내지 800분간 수행될 수 있다. 좋게는 20분 내지 800분, 더 좋게는 20분 내지 720분간 수행될 수 있다. 상기 열처리하는 단계에서 활성 분위기는 공기를 이용할 수 있다. 공기 중에서 열처리하게 되면 탄소나노튜브와 이루는 계면에 금속산화물 나노입자만이 형성되게 할 수 있다.The above heat treatment step can be performed for 10 to 800 minutes. Preferably, it can be performed for 20 to 800 minutes, and more preferably, it can be performed for 20 to 720 minutes. In the above heat treatment step, the active atmosphere can use air. If the heat treatment is performed in air, only metal oxide nanoparticles can be formed at the interface with the carbon nanotubes.
상기 금속산화물 전구체 용액에 캡핑제로 지방족 아민이 더 포함될 수 있다. 금속산화물 전구체와 지방족 아민의 질량비가 1:0.25 내지 1:2의 비율이 되도록 금속산화물 전구체 용액에 지방족 아민을 더 첨가한 용액을 시료에 침지한 후 열처리하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 열처리를 통해 금속산화물 전구체는 금속산화물 나노입자로 전환되고, 캡핑제는 상기 금속산화물 나노입자 표면에 캡핑된다.The above metal oxide precursor solution may further include an aliphatic amine as a capping agent. A step of immersing a sample in a solution in which an aliphatic amine is further added to the metal oxide precursor solution so that the mass ratio of the metal oxide precursor and the aliphatic amine is 1:0.25 to 1:2 and then performing a heat treatment may be performed. Through the heat treatment, the metal oxide precursor is converted into metal oxide nanoparticles, and the capping agent is capped on the surface of the metal oxide nanoparticles.
상기 캡핑제인 지방족 아민으로 사용되는 구체적인 화합물은 앞서 서술한 내용과 동일하므로, 그 구체적인 내용은 생략한다.Since the specific compound used as the aliphatic amine, which is the capping agent, is the same as described above, the specific details are omitted.
상기 금속산화물 전구체 용액에 캡핑제가 포함되어 제조된 열전소재는 지방족 아민이 금속산화물 나노입자 표면을 캡핑하고 있어 열전소재를 공기 중에 장시간 노출시키더라도 제벡상수가 90% 이상 유지되어 높은 에너지 변환 효율을 유지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다(도 5). The thermoelectric material manufactured by including a capping agent in the above metal oxide precursor solution can maintain a high energy conversion efficiency by maintaining a Seebeck constant of 90% or more even when the thermoelectric material is exposed to air for a long time because the aliphatic amine caps the surface of the metal oxide nanoparticles (Fig. 5).
본 발명은 상기 열전소재를 포함하는 열전소자를 제공한다. The present invention provides a thermoelectric element including the thermoelectric material.
상기 열전소자는 탄소나노튜브를 포함하는 기재 및 상기 기재에 담지된 금속 산화물 나노입자를 포함하는 열전소재; 및 상기 열전소재의 상부 또는 하부에 구비되는 전극;을 포함하는 열전소자일 수 있다.The above thermoelectric element may be a thermoelectric element including a substrate including carbon nanotubes and a thermoelectric material including metal oxide nanoparticles supported on the substrate; and an electrode provided on the upper or lower portion of the thermoelectric material.
본 발명은 상기 열전소자를 포함하는 열전모듈을 제공한다.The present invention provides a thermoelectric module including the thermoelectric element.
상기 열전모듈은 제1전극; 제2전극; 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 배치되는 전술한 열전소자를 포함하는 열전모듈일 수 있다.The above thermoelectric module may be a thermoelectric module including a first electrode; a second electrode; and the above-described thermoelectric element disposed between the first electrode and the second electrode.
이하 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.The present invention is described in detail below by the following examples and experimental examples.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해서 한정되는 것은 아니다.However, the following examples and experimental examples are only intended to illustrate the present invention, and the scope of the invention is not limited by the examples and experimental examples.
화학기상증착법으로 제조된 탄소나노튜브 시트(CNT Web)를 준비하고, 용매인 벤질 알콜에 1 mol/L(1M)농도가 되도록 금속 산화물 전구체로 구리 아세틸아세트염(CAS No. 13395-16-9, 이하 Cu(AcAc)2라고 함)를 첨가하고, 상기 구리 아세틸아세트염과 중량비가 1:0.5가 되도록 캡핑제인 올레일아민을 상기 금속산화물 전구체가 포함된 벤질 알코올에 추가로 더 넣은 후 교반하여 금속 전구체 용액을 제조하였다.A carbon nanotube sheet (CNT Web) manufactured by a chemical vapor deposition method was prepared, and copper acetylacetate (CAS No. 13395-16-9, hereinafter referred to as Cu(AcAc) 2 ) as a metal oxide precursor was added to benzyl alcohol as a solvent so that the concentration was 1 mol/L (1 M), and oleylamine as a capping agent was further added to the benzyl alcohol containing the metal oxide precursor so that the weight ratio with the copper acetylacetate was 1:0.5, and then stirred to prepare a metal precursor solution.
상기 탄소나노튜브 시트에 상기 금속 전구체 용액을 침지하여 금속 산화물 전구체가 탄소나노튜브 내에 담지되도록 한 후 200℃ 온도에서 20분간 열처리하였다. 상기 상기 열처리에 의해 탄소나노튜브 내에 담지된 금속 산화물 전구체는 금속 산화물 나노입자로 전환되고, 올레일아민은 금속산화물 나노입자 표면에 캡핑되어 탄소나노튜브 내에는 캡핑된 금속산화물 나노입자가 담지되었다.The above carbon nanotube sheet was immersed in the metal precursor solution so that the metal oxide precursor was supported within the carbon nanotube, and then heat-treated at a temperature of 200°C for 20 minutes. Through the heat treatment, the metal oxide precursor supported within the carbon nanotube was converted into metal oxide nanoparticles, and oleylamine was capped on the surface of the metal oxide nanoparticles, so that the capped metal oxide nanoparticles were supported within the carbon nanotube.
상기 실시예 1에서 금속산화물 전구체를 철 아세틸아세트염(CAS No. 14024-18-1, 이하 Fe(AcAc)3이라 함)를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 열전소재를 제조하였다.A thermoelectric material was manufactured in the same manner as in Example 1, except that iron acetylacetate (CAS No. 14024-18-1, hereinafter referred to as Fe(AcAc) 3 ) was used as the metal oxide precursor.
상기 실시예 1에서 금속산화물 전구체를 코발트 아세틸아세트염(CAS No. 14024-48-7, 이하 Co(AcAc)2이라 함)를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 열전소재를 제조하였다.A thermoelectric material was manufactured in the same manner as in Example 1, except that cobalt acetylacetate (CAS No. 14024-48-7, hereinafter referred to as Co(AcAc) 2 ) was used as the metal oxide precursor.
(비교 예1)(Comparison Example 1)
상기 실시예 1에서 금속산화물 전구체와 캡핑제를 사용하지 않은 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 열전소재를 제조하였다.A thermoelectric material was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the metal oxide precursor and capping agent were not used.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
상기 실시예 1에서 금속산화물로 ZrCl4를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 열전소재를 제조하였다.A thermoelectric material was manufactured in the same manner as in Example 1, except that ZrCl 4 was used as the metal oxide in Example 1.
(비교예 3)(Comparative Example 3)
상기 실시예 1에서 금속산화물로 Zr(NO3)4를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 열전소재를 제조하였다.A thermoelectric material was manufactured in the same manner as in Example 1, except that Zr(NO 3 ) 4 was used as the metal oxide in Example 1.
(비교예 4)(Comparative Example 4)
상기 실시예 1에서 금속산화물로 Zr(AcAc)4를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 열전소재를 제조하였다.A thermoelectric material was manufactured in the same manner as in Example 1, except that Zr(AcAc) 4 was used as the metal oxide in Example 1.
(실험예)(Experimental example)
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3으로부터 얻어진 열전소재들의 전기전도도를 4-point probe 방법을 통해 측정하였고, 상기 열전소재 상부에 실버 페이스트를 도포하여 전극을 적층한 열전소자를 제조하여 제벡상수를 측정하였고, 측정된 전기전도도와 제벡상수로부터 열전성능을 평가하여 표 1과 표 2에 나타내었다.The electrical conductivity of the thermoelectric materials obtained from the above Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 was measured using the 4-point probe method, and a thermoelectric element was manufactured by stacking electrodes by applying silver paste on top of the thermoelectric material, and the Seebeck constant was measured. The thermoelectric performance was evaluated from the measured electrical conductivity and Seebeck constant, and the results are shown in Tables 1 and 2.
표 1Table 1
비교예 1에서 제조된 열전소재 즉, 탄소나노튜브 시트로 이루어진 열전소재의 제벡상수는 45μV/K이고, 실시예 1, 2에서 사용된 금속산화물 전구체로부터 유래된 금속산화물 CuO2, Fe2O3이 도입된 열전소재는 비교예 1의 열전소재에 비해 제벡상수가 향상된 것을 확인하였다. 또한 제벡상수가 모두 양의 값을 나타내어 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 열전소재는 p-type의 열전소재가 제조된 것을 알 수 있다. 그러나 실시예 1 내지 3에서 사용한 금속산화물 전구체와 동일한 음이온((AcAc)3)을 갖는 금속산화물 전구체를 사용한 경우인 비교예 4의 열전소재는 제벡상수가 -12μV/K으로 나타나 n-Type 열전소재가 제조된 것을 알 수 있다. 금속산화물 전구체가 동일한 음이온을 포함하더라도 전구체의 금속 양이온에 따라 최종적으로 제조된 열전소재의 특성이 달라짐을 알 수 있다.The Seebeck constant of the thermoelectric material manufactured in Comparative Example 1, that is, the thermoelectric material made of carbon nanotube sheets, was 45 μV/K, and it was confirmed that the thermoelectric material into which the metal oxides CuO 2 and Fe 2 O 3 derived from the metal oxide precursors used in Examples 1 and 2 were introduced had an improved Seebeck constant compared to the thermoelectric material of Comparative Example 1. In addition, since the Seebeck constants all showed positive values, it can be seen that the thermoelectric materials of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were p-type thermoelectric materials. However, in the case where a metal oxide precursor having the same anion ((AcAc) 3 ) as the metal oxide precursor used in Examples 1 to 3 was used, the thermoelectric material of Comparative Example 4 showed a Seebeck constant of -12 μV/K, which means that an n-type thermoelectric material was manufactured. It can be seen that the properties of the thermoelectric material finally manufactured differ depending on the metal cation of the precursor even if the metal oxide precursor contains the same anion.
비교예 2 내지 4는 금속산화물 전구체의 음이온 종류는 다르지만, 탄소나노튜브 내에 ZrO2 나노입자로 담지된다. 금속산화물 전구체의 동일한 금속 원자 양이온에 결합된 음이온의 종류에 따라 최종적으로 제조되는 열전소재가 p-type 또는 n-type일 수 있음을 알 수 있다. Comparative Examples 2 to 4 are supported as ZrO 2 nanoparticles within carbon nanotubes, although the anion types of the metal oxide precursors are different. It can be seen that the thermoelectric material ultimately manufactured can be p-type or n-type depending on the type of anion bonded to the same metal atom cation of the metal oxide precursor.
표 2Table 2
통상적으로 열전소재의 열전성능은 ZT 값으로 평가를 하지만, 박막의 경우에 열전도도 측정이 어려울 수 있어 완벽한 성능 평가가 불가능하지만, 파워팩터(power factor, 여기서 a2은 제벡상수의 제곱수이고, σ은 전기전도도이다)로 열전성능의 지표로 사용하기도 하기 때문에 본 발명에서는 파워팩터로 열전성능 및 에너지 변환효율을 평가하였다.Normally, the thermoelectric performance of a thermoelectric material is evaluated by the ZT value, but in the case of thin films, it is difficult to measure thermal conductivity, so a perfect performance evaluation is impossible. However, the power factor (ZT) is Here, a 2 is the square of the Seebeck constant and σ is the electrical conductivity) is also used as an indicator of thermoelectric performance, so in the present invention, the thermoelectric performance and energy conversion efficiency were evaluated using the power factor.
표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에서 제조된 열전소재의 제벡상수는 비교예 1에서 제조된 열전소재의 제벡상수에 비해 높은 값을 나타내어 우수한 열전성능을 나타내는 것을 확인하였고, 실시예 1의 파워팩터(열전성능)는 비교예 1의 탄소나노튜브 시트가 갖는 파워팩터(열전성능)보다 1.5 배 이상 향상되었다. 탄소나노튜브 시트에 금속산화물 나노입자 도입을 통해 열전성능의 향상과 에너지 변환 효율이 우수할 것임을 확인하였다. As shown in Table 2, the Seebeck constant of the thermoelectric material manufactured in Example 1 was higher than that of the thermoelectric material manufactured in Comparative Example 1, confirming excellent thermoelectric performance, and the power factor (thermoelectric performance) of Example 1 was improved by more than 1.5 times compared to the power factor (thermoelectric performance) of the carbon nanotube sheet of Comparative Example 1. It was confirmed that the introduction of metal oxide nanoparticles into the carbon nanotube sheet would improve thermoelectric performance and excellent energy conversion efficiency.
실시예 4 내지 6은 실시예 1에서 열처리 온도를 280℃(실시예 4), 220℃(실시예 5), 180℃(실시예 6)로 변경한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 열전소재를 제조하였다. 또 실시예 7 내지 11은 열처리 온도 및 열처리 시간을 변경한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 열전소재를 제조하였다. Examples 4 to 6 were performed in the same manner as in Example 1, except that the heat treatment temperature was changed to 280°C (Example 4), 220°C (Example 5), and 180°C (Example 6), thereby producing a thermoelectric material. In addition, Examples 7 to 11 were performed in the same manner as in Example 1, except that the heat treatment temperature and heat treatment time were changed, thereby producing a thermoelectric material.
또 비교예 5 내지 7은 비교예 1에서 열처리 온도와 시간을 변경한 것을 제외하고, 비교예 1와 동일하게 수행하여 열전소재를 제조하였다.In addition, Comparative Examples 5 to 7 were performed in the same manner as Comparative Example 1, except that the heat treatment temperature and time were changed, to manufacture a thermoelectric material.
이들 열전소재의 전기전도도와 파워팩터(열전성능)을 표 3에 정리하였고, 열처리 온도에 따른 전기전도도의 변화를 도 3에, 파워팩터(열전성능)의 변화를 도 4에 도시하였다.The electrical conductivity and power factor (thermoelectric performance) of these thermoelectric materials are summarized in Table 3, and the change in electrical conductivity according to the heat treatment temperature is shown in Figure 3, and the change in power factor (thermoelectric performance) is shown in Figure 4.
표 3Table 3
열처리 온도 및 열처리 시간에 비례하여 전기전도도, 제벡상수, 파워팩터(열전성능)이 상승하는 것이 아님을 알 수 있고, 즉, 최고의 효과를 나타내는 적절한 열처리 온도와 처리 시간이 있음을 확인하였다. 탄소나노튜브 내에 금속산화물 나노입자가 담지됨에 따라 금속산화물 나노입자가 포함되지 않은 경우(비교예 5 내지 7)에는 전기전도도는 다소 낮아지지만, 제벡상수가 현저히 증가함에 따라 금속산화물 나노입자가 담지된 경우(실시예 4 내지 6)의 열전성능(파워팩터)이 비교예 5 내지 7의 열전소재의 그것보다 항상 2배 이상 향상됨을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 금속산화물 나노입자가 탄소나노튜브 내에 담지되어 기재를 형성하는 탄소나노튜브 사이의 전하 이동이 제한되거나 최종적인 열전소재의 표면 전하가 음의 전하를 갖기 때문에 전하 이동이 제한되기 때문에 전기전도도는 다소 감소하는 반면에 나노입자와 탄소나노튜브 계면 사이에서 포논 산란(phonon scattering)이 촉진되어 제벡상수가 현저히 증가하여 열전성능(파워팩터)이 향상되는 것을 확인하였다. 또한 열처리 온도가 동일한 경우, 열처리 시간이 길어짐에 따라(실시예 6 내지 실시예 11) 열전소재의 전기전도도는 증가하나, 제벡상수는 증가하다가 열처리시간이 120분일 때 최고 값을 나타내다가 서서히 감소하는 경향을 나타내었다. 이에 따라 파워팩터(열전성능)도 제벡상수와 같은 경향을 나타내는 것을 알 수 있다. It can be seen that the electrical conductivity, Seebeck constant, and power factor (thermoelectric performance) do not increase in proportion to the heat treatment temperature and heat treatment time, that is, it was confirmed that there is an appropriate heat treatment temperature and treatment time that exhibit the best effect. As the metal oxide nanoparticles are supported in the carbon nanotubes, the electrical conductivity is somewhat lowered in the case where the metal oxide nanoparticles are not included (Comparative Examples 5 to 7), but as the Seebeck constant significantly increases, it can be seen that the thermoelectric performance (power factor) in the case where the metal oxide nanoparticles are supported (Examples 4 to 6) is always improved by more than twice that of the thermoelectric materials of Comparative Examples 5 to 7. These results show that the electrical conductivity decreases somewhat because the charge transfer between the carbon nanotubes forming the substrate, where metal oxide nanoparticles are supported within the carbon nanotubes, is limited or because the surface charge of the final thermoelectric material has a negative charge, so that the charge transfer is limited, whereas phonon scattering is promoted between the interface of the nanoparticles and the carbon nanotubes, which significantly increases the Seebeck constant and improves the thermoelectric performance (power factor). In addition, when the heat treatment temperature is the same, the electrical conductivity of the thermoelectric material increases as the heat treatment time increases (Examples 6 to 11), but the Seebeck constant increases and shows a tendency to show a maximum value when the heat treatment time is 120 minutes and then gradually decreases. Accordingly, it can be seen that the power factor (thermoelectric performance) also shows a tendency similar to the Seebeck constant.
표 4는 금속산화물의 전구체로 Cu(AcAc)2를 사용하였고, Cu(AcAc)2와 올레일아민의 중량비에 따른 제벡상수의 변화를 나타낸 것이다.Table 4 shows the change in Seebeck constant according to the weight ratio of Cu(AcAc)2 and oleylamine, using Cu(AcAc)2 as a precursor of metal oxide.
표 4Table 4
금속산화물 전구체와 캡핑제인 올레일아민의 중량비가 1:0.5일 때 제벡상수가 가장 크고, 상기 중량비가 1:0.5 초과할 경우에 제벡상수가 점점 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 비교예 8과 같이 열전소재에 포함되는 금속산화물 나노입자 표면에 캡핑제가 포함되지 않을 경우에 캡핑제가 포함되는 경우에 비해 제벡상수가 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 금속산화물 나노입자 표면에 캡핑제가 포함됨에 따라 열전성능이 향상됨을 알 수 있다.When the weight ratio of the metal oxide precursor and the capping agent, oleylamine, was 1:0.5, the Seebeck constant was the largest, and when the weight ratio exceeded 1:0.5, the Seebeck constant tended to gradually decrease. In addition, as in Comparative Example 8, it can be seen that when the capping agent is not included on the surface of the metal oxide nanoparticles included in the thermoelectric material, the Seebeck constant decreases compared to when the capping agent is included. That is, it can be seen that the thermoelectric performance is improved as the capping agent is included on the surface of the metal oxide nanoparticles.
본 발명은 상술한 실시 형태에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, but is intended to be limited by the appended claims. Accordingly, various substitutions, modifications, and changes may be made by those skilled in the art within the scope that does not depart from the technical spirit of the present invention as described in the claims, and this will also fall within the scope of the present invention.
Claims (18)
상기 금속산화물의 금속은 Fe, Cu, 및 Co로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것인 열전소재.In the first paragraph,
A thermoelectric material wherein the metal of the metal oxide includes one or more selected from the group consisting of Fe, Cu, and Co.
상기 열전소재는 음의 표면전하를 가지는 열전소재.In the first paragraph,
The above thermoelectric material is a thermoelectric material having a negative surface charge.
상기 금속산화물의 전구체는 아세틸아세트염인 열전소재.In the first paragraph,
A thermoelectric material in which the precursor of the above metal oxide is an acetylacetate.
상기 기재는 탄소나노튜브 시트인 열전소재.In the first paragraph,
The above description is a thermoelectric material which is a carbon nanotube sheet.
상기 탄소나노튜브 100 중량부에 대하여 금속산화물 나노입자를 0.001 내지 10 중량부를 포함하는 열전소재.In the first paragraph,
A thermoelectric material comprising 0.001 to 10 parts by weight of metal oxide nanoparticles per 100 parts by weight of the carbon nanotubes.
상기 금속산화물 나노입자의 평균입경은 5 내지 50nm인 열전소재.In the first paragraph,
A thermoelectric material having an average particle diameter of the above metal oxide nanoparticles of 5 to 50 nm.
상기 열전소재는 p-type인 열전소재.In the first paragraph,
The above thermoelectric material is a p-type thermoelectric material.
상기 금속산화물 나노입자의 표면에 캡핑된 지방족 아민을 더 포함하는 열전소재.In the first paragraph,
A thermoelectric material further comprising an aliphatic amine capped on the surface of the metal oxide nanoparticles.
상기 열전소재는 다음 [식 1]을 만족하는 것인 열전소재.
[식 1]
2≤(열전소재의 power factor/탄소나노튜브 시트의 power factor)In the first paragraph,
The above thermoelectric material is a thermoelectric material satisfying the following [Formula 1].
[Formula 1]
2≤(power factor of thermoelectric material/power factor of carbon nanotube sheet)
용매 및 금속산화물 전구체를 포함하는 금속산화물 전구체 용액을 제조하는 단계,
상기 금속산화물 전구체 용액을 탄소나노튜브를 포함하는 기재에 침지하는 단계, 및
상기 금속산화물 전구체 용액이 함유된 상기 기재를 열처리하는 단계를 포함하는 열전소재의 제조방법.In a method for manufacturing a thermoelectric material according to any one of claims 1 to 9 and 11,
A step of preparing a metal oxide precursor solution comprising a solvent and a metal oxide precursor,
A step of immersing the above metal oxide precursor solution into a substrate including carbon nanotubes, and
A method for manufacturing a thermoelectric material, comprising a step of heat-treating the substrate containing the metal oxide precursor solution.
상기 용매는 극성 용매를 포함하는 열전소재의 제조방법.In Article 12,
A method for producing a thermoelectric material, wherein the solvent comprises a polar solvent.
상기 금속산화물의 전구체는 아세틸아세트염인 열전소재의 제조방법.In Article 12,
A method for manufacturing a thermoelectric material, wherein the precursor of the above metal oxide is an acetylacetate.
상기 열처리는 100 ℃ 내지 300 ℃에서 수행되는 것인 열전소재의 제조방법.In Article 12,
A method for manufacturing a thermoelectric material, wherein the above heat treatment is performed at 100°C to 300°C.
상기 금속산화물 전구체 용액에 캡핑제인 지방족 아민이 더 포함하는 열전소재의 제조방법.In Article 12,
A method for producing a thermoelectric material, wherein the metal oxide precursor solution further comprises an aliphatic amine as a capping agent.
제2전극; 및
상기 제1전극과 제2 전극 사이에 배치되는 제17항에 따른 열전소자를 포함하는 열전모듈.
First electrode;
second electrode; and
A thermoelectric module comprising a thermoelectric element according to claim 17, arranged between the first electrode and the second electrode.
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