KR20100081914A - 열전재료, 이를 포함하는 열전모듈과 열전 장치 - Google Patents

Abstract

열전도성이 매우 낮고, 전기전도성이 높은 디칼코게나이드 열전재료가 제공된다.

상기 열전재료는 화학식 1의 구조를 갖는다.

<화학식 1>

R_aT_bX_2-nY_n

식중, 상기 R은 희토류 원소이고, 상기 T는 1족 원소, 2족 원소, 및 전이금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고, 상기 X는 S, Se, 및 Te로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상이고, 상기 Y는 X와 상이한 것이며, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고, 상기 a는 0<a≤1이고, 상기 b는 0≤b<1이고, n은 0≤n<2 이다.

Description

열전재료, 이를 포함하는 열전모듈과 열전 장치{Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric apparatus comprising same}

성능지수가 우수한 열전재료 및 이를 포함하는 열전모듈과 열전 장치가 제공된다. 보다 상세하게는, 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 디칼코게나이드 열전재료 및 이를 포함하는 열전소자와 열전장치가 제공된다.

일반적으로 열전재료는 펠티어 효과(Peltier effect) 및 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 능동냉각 및 폐열발전 등에 응용할 수 있는 재료이다. 상기 펠티어 효과는 도 1에 도시한 바와 같이 외부에서 DC 전압을 가해주었을 때 p-type 재료의 정공과 n-type 재료의 전자가 이동함으로써 재료 양단에 발열과 흡열을 일으키는 현상이다. 상기 제벡 효과는 도 2에 도시한 바와 같이 외부 열원에서 열을 공급 받을 때 전자와 정공이 이동하면서 재료에 전류의 흐름이 생겨 발전을 일으키는 현상을 말한다.

이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각은 소자의 열적 안정성을 개선시키고 진동과 소음이 없으며 별도의 응축기와 냉매를 사용하지 않아 부피가 작고 환경 친화적인 방법으로서 인식되고 있다. 이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각의 응용 분야로서는 무냉매 냉장고, 에어컨, 각종 마이크로 냉각 시스템 등에 사용할 수 있으며, 특히, 각종 메모리 소자에 열전소자를 부착시키면 기존의 냉각방식에 비해 부피는 줄이면서 소자를 균일하고 안정한 온도로 유지시킬 수 있으므로 소자의 성능을 개선할 수 있다.

한편 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 열전재료를 열전발전에 활용하면 폐열(waste heat)을 에너지 원으로 활용할 수 있어서 자동차 엔진 및 배기장치, 쓰레기 소각장, 제철소 폐열, 인체 열을 이용한 인체 내 의료기기의 전원 등 에너지의 효율을 높이거나 폐열을 수거하여 사용하는 다양한 분야에 응용할 수 있다.

이와 같은 열전재료의 성능을 측정하는 인자로는 하기 수학식 1과 같이 정의되는 무차원 성능지수 ZT값을 사용한다.

<수학식 1>

(식중, S는 제벡계수, σ는 전기전도도, T는 절대온도, κ는 열전도도이다.)

상기 무차원 성능지수 ZT값을 증가시키기 위해서는 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 재료를 찾아야 한다.

본 발명의 구현예들은 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 열전재료를 제공한다.

본 발명의 다른 구현예들은 상기 열전재료를 포함한 열전모듈을 제공한다.

본 발명의 또 다른 구현예들은 상기 열전소자를 구비하는 열전 장치를 제공한다.

하기 화학식 1의 구조를 갖는 디칼코게나이드 화합물을 포함하는 열전재료를 제공한다:

<화학식 1>

R_aT_bX_2-nY_n

식중,

상기 R은 희토류 원소이고,

상기 T는 1족 원소, 2족 원소, 및 전이금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이며,

상기 X는 S, Se, 및 Te로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상이고,

상기 Y는 X와 상이하며, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고,

상기 a는 0<a≤1이며,

상기 b는 0≤b<1이고,

n은 0≤n<2 이다.

상기 a 및 b는 1<a+b≤2의 범위를 가질 수 있다.

또한, in-plane 방향으로 불규칙 배열을 갖는 층상 구조를 나타내며, 상기 화학식 1의 구조를 갖는 열전재료를 제공한다:

상기 열전재료는 X, 또는 X와 Y로 이루어진 제1층; 및 X와 R, 또는 X와 Y와 R로 이루어진 제2층이 교호(交互)적으로 배열된 층상 구조를 나타내며, 상기 제1층과 제2층 사이에 T가 도핑 또는 삽입(intercalation)된 것일 수 있다.

상기 열전재료는 전류 밀도파(charge density wave)를 나타낼 수 있다.

또한, 상기 열전재료는 2차원적 전기 전도 특성을 가질 수 있다.

상기 열전재료는 벌크상일 수 있다.

또한, 상기 열전재료는 다결정 또는 단결정 구조를 가질 수 있다.

상기 또 다른 과제를 달성하기 위한 구현예로서, 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재되며, 상기 화학식 1의 조성을 갖는 디칼코게나이드 화합물을 포함하는 열전모듈이 제공된다.

상기 또 다른 과제를 달성하기 위한 구현예로서, 상기 열전모듈 및 열공급원을 구비하는 열전장치가 제공된다.

본 발명의 구현예들에 따른 열전재료는 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전 도도가 매우 낮아, 성능지수가 우수하다. 따라서, 무냉매 냉장고, 에어컨, 폐열발전, 군사 항공 우주용 열전 핵발전, 마이크로 냉각 시스템 등에 유용하게 사용할 수 있다.

열전재료에서 열전도도, 전자전도도 등은 열전재료의 구조에 따라 다라질 수 있다. 예컨대, 물질의 열전도도(k_tot)는 격자에 의한 열전도도(k_Latt)와 전자에 의한 열전도도(k_el)의 합으로 나타날 수 있는데, 전자 열전도도는 아래 수학식 2와 같이 Wiedemann-Frantz 법칙에 따라 결정되므로, 인위적으로 조절할 수 있는 인자는 아니다. 열전재료의 열전도도를 낮추기 위해서는 격자 열전도도를 낮추는 것이 바람직하며, 이는 격자 구조의 제어를 통해 얻을 수 있다.

<수학식 2>

K_el = LT / ρ (L = 2.44 X 10^-8 ΩW/K²)

본 발명의 일 구현예에 따른 열전재료는 하기 화학식 1의 구조를 갖는 디칼코게나이드 화합물을 포함한다:

<화학식 1>

R_aT_bX_2-nY_n

식중,

상기 R은 희토류 원소이고,

상기 T는 1족 원소, 2족 원소, 및 전이금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이며,

상기 X는 S, Se, 및 Te로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상이고,

상기 Y는 X와 상이하며, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고,

상기 a는 0<a≤1이며,

상기 b는 0≤b<1이고,

n은 0≤n<2 이다.

상기 a 및 b는 1<a+b≤2의 범위를 가질 수 있다.

상기 열전재료는 도 3과 같이 X, 또는 X와 Y로 이루어진 제1층; 및 X와 R, 또는 X와 Y와 R로 이루어진 제2층이 교호(交互)적으로 배열된 층상 구조를 나타낼 수 있다.

상기 제1층 및 제2층 각각에서는 원소들이 공유 결합을 하여 in-plane 방향으로 불규칙한 배열을 가지면서 강한 결합을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1층과 제2층 간은 이온 결합 또는 반데르바알스 결합을 하여 c-축 방향으로 약한 결합을 형성할 수 있다. 따라서, 낮은 열전도도와 저차원(2차원)적 전기 전도 특성이 나타난다. 전기전도는 X와 Y로 이루어진 공유결합 층상구조를 통해 일어나 2차원 전도특성을 보인다.

상기 열전재료에서는 제1층의 X(S, Se, Te: 칼코겐)의 전도 전자와 제2층의 R(희토류 원소)의 4f 궤도함수 전자 사이의 강한 상호 작용에 의해, 격자 왜곡이 발생되며, 전류 밀도파(charge density wave)를 나타낼 수 있다.

또한, 상기 제1층과 제2층 사이에, T(알칼리 금속, 전이금속)이 도핑 또는 삽입(intercalation)된 구조일 수 있다. T로 인해 열전재료의 전기전도도가 높아질 수 있고, c-축으로 결합력이 증가하여 시료의 기계적 강도를 높일 수 있으며 전류 밀도를 제어할 수 있다. 이러한 전하 밀도파의 발생, T 도핑 또는 삽입에 의한 전류 밀도 제어를 통해, 상기 열전 재료는 높은 전기전도도와 제벡계수를 나타낼 수 있다.

또한, Y의 종류, 함량 등을 조절하여 전기전도도와 제벡계수를 높일 수도 있다. 예컨대, 전자와 홀이 공존하는 2밴드 전도(2 band conduction)가 일어나는 경우, X의 일부를 Y로 치환하여 전자 또는 홀 중 하나만 전도특성이 일어나게 함으로써, 열전 재료의 전류 밀도를 제어할 수 있다.

상기 열전 재료는 다결정 또는 단결정 구조체로 제조될 수 있다. 단결정으로 성장시켜 제조하는 경우, 열전도도가 낮은 c-축 방향으로 정렬시키기 쉬우므로 열전도도를 더 낮출 수 있으며, 성능지수가 더 높아질 수 있다.

또한, 상기 열전재료는 벌크상의 형태일 수 있다.

상기와 같은 다결정 구조를 갖는 열전재료의 합성방법으로는 하기와 같은 예가 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

(1) 앰퓰(Ampoule)을 이용한 방법: 원료를 석영관 또는 금속 앰퓰 에 넣고 진공으로 밀봉하여 열처리하는 것을 포함하는 방법.

(2) 아크 용융(Arc melting)법: 원료를 챔버에 넣고 비활성기체 분위기 속에 서 아크를 방전시켜 원료를 녹여 시료를 만드는 것을 포함하는 방법.

(3) 고상반응법(Solid state reaction): 분말을 잘 섞어 단단하게 가공한 뒤 열처리하거나 혼합분말을 열처리한 다음 가공하고 소결하는 공정을 포함하는 방법

상기와 같은 단결정구조를 갖는 열전재료 합성방법으로는 하기와 같은 예가 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

(1) 금속 플럭스법(Metal flux): 원료와 원료가 고온에서 결정으로 잘 성장할 수 있도록 분위기를 제공하는 원소를 도가니에 넣고 고온에서 열처리하여 결정을 성장하는 것을 포함하는 방법.

(2) 브릿지맨법(Bridgeman): 원료를 도가니에 넣고 도가니 끝 쪽에서 원료가 용해 될 때까지 고온으로 가열한 다음 고온영역을 천천히 이동시켜 시료를 국부적으로 용해시키면서 시료 전체를 고온영역에 통과하게 하여 결정을 성장시키는 것을 포함하는 방법.

(3) 영역용융법(zone melting): 원료를 막대 형상으로 seed rod와 feed rod로 만든 다음 국부적으로 고온을 만들어 시료를 용해시키면서 용해부분을 위쪽으로 천천히 끌어올려 결정을 성장시키는 것을 포함하는 방법.

(4) 증기이동법(Vapor transport): 원료를 석영관 아래쪽에 넣고 원료 부분을 가열하고 석영관 위쪽은 낮은 온도로 두어 원료가 기화되면서 낮은 온도에서 고상반응을 일으키며 결정을 성장시키는 것을 포함하는 방법.

본 발명은 상술한 다양한 방법 중 어느 것이나 제한 없이 사용하여 열전재료를 제조할 수 있다.

한편 상기 다결정 화합물의 경우 추가적으로 고밀도화 공정을 수행하는 것도 가능하다. 이와 같은 고밀도화 공정에 의해 추가적인 전기전도도의 개선이 가능해진다.

상기 고밀도화 공정으로서는 하기 3가지 공정을 예로 들 수 있다:

(1) 핫 프레스법: 대상체인 분말 화합물을 소정 형상의 몰드에 가하고 고온, 예를 들어 300 내지 800℃ 및 고압, 예를 들어 30 내지 300 MPa에서 성형하는 방법;

(2) 스파크 플라즈마 소결법: 대상체인 분말 화합물에 고압의 조건에서 고전압 전류, 예를 들어 약 30MPa 내지 약 300Mpa의 압력조건에서 50 내지 500 A를 통전하여 짧은 시간에 재료를 소결하는 방법;

(3) 핫 포징법: 대상체인 분말에 가압성형시 고온, 예를 들어 300 내지 700℃을 가하여 압출소결하여 가공하는 방법.

상기 고밀도화 공정에 의해 상기 열전재료는 이론밀도의 70 내지 100%에 달하는 밀도를 갖게 된다. 상기 이론 밀도는 분자량을 원자부피로 나뉘어 계산되며, 격자상수로 평가될 수 있다. 예를 들어 95 내지 100%의 밀도를 갖게 되고, 그에 따라 보다 증가된 전기전도도를 나타내게 된다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 열전재료를 절단 가공 등의 방법으로 성형하여 얻어지는 열전 소자를 제공한다. 상기 열전재료가 단결정 구조를 갖는 경우, 상기 열전재료의 절단 방향은 성장방향에 수직 방향인 것을 예로 들 수 있다.

상기 열전 소자는 p형 열전소자 또는 n형 열전소자일 수 있다. 이와 같은 열 전소자는 열전재료를 소정 형상, 예를 들어 직육면체의 형상으로 형성한 것을 의미한다.

한편, 상기 열전소자는 전극과 결합되어, 전류 인가에 의해 냉각 효과를 나타낼 수 있으며, 소자 또는 온도차에 의해 발전 효과를 나타낼 수 있는 성분일 수 있다.

도 4는 상기 열전소자를 채용한 열전 모듈의 일예를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상부 절연기판(11)과 하부 절연기판(21)에는 상부 전극(12) 및 하부 전극(22)이 패턴화되어 형성되어 있고, 상기 상부 전극(12)과 하부 전극(22)을 p형 열전성분(15) 및 n형 열전성분(16)이 상호 접촉하고 있다. 이들 전극(12, 22)은 리드 전극(24)에 의해 열전소자의 외부와 연결된다.

상기 절연기판(11, 21)으로서는 갈륨비소 (GaAs), 사파이어, 실리콘, 파이렉스, 석영 기판 등을 이용할 수 있다. 상기 전극(12, 22)의 재질은 알루미늄, 니켈, 금, 티타늄 등 다양하게 선택될 수 있으며, 그 크기 또한 다양하게 선택될 수 있다. 이들 전극(12, 22)이 패터닝되는 방법은 종래 알려져 있는 패터닝 방법을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 리프트 오프 반도체 공정, 증착 방법, 포토리소그래피법 등을 사용할 수 있다.

이와 다른 열전 모듈의 예로서는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되며 상기 화학식 1에 따른 열전재료를 포함하는 열전모듈을 예로 들 수 있다. 상기 열전 모듈은 상기 도 4에 나타낸 바와 같은, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나가 배치되는 절연 기 판을 더 구비할 수 있다. 이와 같은 절연기판으로서는 상술한 바와 같은 절연기판을 사용할 수 있다.

열전모듈의 일구현예에서 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같은 열 공급원에 노출될 수 있다. 열전소자의 일구현예에서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 도 1에 나타낸 바와 같은 전력 공급원에 전기적으로 연결되거나, 또는 열전모듈의 외부, 예를 들어 전력을 소비하거나 저장하는 전기소자(예를 들어 전지)에 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 열전모듈의 일구현예로서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 도 1에 나타낸 바와 같은 전력 공급원에 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 열전모듈의 일구현예에서, 도 4에 나타낸 바와 같이 상기 p-type 열전소자 및 n-type 열전소자는 교호적으로 배열될 수 있으며, 상기 p-type 열전소자 및 n-type 열전소자 중 적어도 하나는 상기 화학식 1의 디칼코게나이드 화합물을 함유하는 열전재료를 포함할 수 있다.

본 발명의 일구현예에 따르면, 열공급원 및 상기 열전모듈을 구비하는 열전장치를 포함하며, 상기 열전모듈은 상기 열공급원으로부터 열을 흡수하며 상기 화학식 1의 디칼코게나이드 화합물을 포함하는 열전재료, 제1 전극 및 제2 전극을 구비하며, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극과 대향하도록 배치된다. 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 상기 열전재료와 접촉할 수 있다.

상기 열전장치의 일구현예는 상기 제1 전극 및 제2 전극에 전기적으로 연결된 전력 공급원을 더 구비할 수 있다. 상기 열전장치의 일구현예는 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나에 전기적으로 연결된 전기소자를 더 구비할 수 있다.

상기 열전재료, 열전소자, 열전모듈 및 열전장치는 예를 들어 열전냉각시스템, 열전발전시스템일 수 있고, 상기 열전냉각시스템은, 마이크로 냉각시스템, 범용냉각기기, 공조기, 폐열 발전 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 열전냉각시스템의 구성 및 제조방법에 대해서는 당업계에 공지되어 있는 바 본 명세서에서는 구체적인 기재를 생략한다.

이하에서 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

Ce, Se 및 Cu을 각각 1:2.3:0.1, 1:2.3:0.2, 1:2.3:0.3의 몰비로 정량한 후, 석영관으로 만든 앰플에 넣고 진공으로 밀봉하여, 850℃에서 24시간 동안 열처리함으로써, Ce_0.9Cu_0.1Se₂, Ce_0.8Cu_0.2Se₂, 및 Ce_0.7Cu_0.3Se₂을 합성하였다. 이때 상기 화합물들의 구성 몰비는 유도결합 플라즈마 스펙트로스코피(Inductively coupled plasma spectroscopy)를 통해 확인하였다.

실험예 1: 열전도도 측정

상기 실시예 1에서 얻은 열전 재료 중 Ce_0.9Cu_0.1Se₂에 관한 열전도도를 측정하여 도 5에 나타내었다. 이 때, 열전도도는 레이져 플래시(laser flash)법으로 열적 이완도(thermal relaxation)를 측정하여 계산하였다.

도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 열전재료는 300 K에서 약 1.2 W/mK 의 매우 낮은 열전도도를 나타내었다. 이는 상용화된 열전재료(Bi₂Te₃, Sb- Bi₂Te₃)에 비해 크게 낮은 값이다.

실험예 2: 제벡계수 측정

상기 실시예 1에서 얻은 열전 재료 중 Ce_0.9Cu_0.1Se₂에 관한 제벡계수를 측정하여 도 6에 나타내었다. 상기 열전재료는 측정영역(300~800 K)에서 320~350 μV/K정도로 매우 큰 제벡계수를 나타내었다. 이 때, 제벡계수는 4-terminal 법을 통해 측정하였다.

실험예 3: 전기 저항값 측정

상기 실시예 1에서 얻어진 Ce_0.9Cu_0.1Se₂, Ce_0.8Cu_0.2Se₂, 및 Ce_0.7Cu_0.3Se₂에 대하여 전기 저항을 측정하여 도 7에 나타내었다. 이 때, 전기저항은 4-terminal 법으로 측정하였다.

도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 열전재료들은 매우 낮은 전기 저항값을 가지며, Cu 사용량 증가에 따라 전기저항값이 감소하는 경향을 나타내었다. 상기 열전재료들은 전기전도도가 매우 높다.

실험예 4: 성능지수(ZT) 계산

상기 실시예 1에서 얻어진 Ce_0.9Cu_0.1Se₂에 대하여, 상기 실시예 1~3의 결과를 기초로 성능지수를 계산하여 도 7에 나타내었다. 상기 열전재료는 800 K에서 0.18의 매우 큰 성능지수를 나타내었다. 또한, 온도 증가에 따라 성능지수가 현저하게 증가하는 경향을 보였다.

도 1은 펠티어 효과에 의한 열전냉각을 나타내는 개략도이다.

도 2는 제벡효과에 의한 열전발전을 나타내는 개략도이다.

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 R_aT_bX_{2 - n}Y_n 의 구조를 나타낸 모식도이다.

도 4는 일구현예에 따른 열전모듈을 나타낸다.

도 5는 실험예 1에 따라 측정된 Ce_{0 .9}Cu_{0 .1}Se₂의 열전도도를 나타내는 그래프이다.

도 6은 실험예 2에 따라 측정된 Ce_{0 .9}Cu_{0 .1}Se₂의 제벡계수를 나타내는 그래프이다.

도 7은 실험예 3에 따라 측정된 Ce_{0 .9}Cu_{0 .1}Se₂, Ce_{0 .8}Cu_{0 .2}Se₂, 및 Ce_{0 .7}Cu_{0 .3}Se₂의 전기저항값을 나타내는 그래프이다.

도 8은 실험예 4에 따라 계산된 Ce_{0 .9}Cu_{0 .1}Se₂의 성능지수를 나타내는 그래프이다.

Claims (11)

1. 하기 화학식 1의 구조를 갖는 디칼코게나이드 화합물을 포함하는 열전재료:

   <화학식 1>

   R_aT_bX_2-nY_n

   식중,

   상기 R은 희토류 원소이고,

   상기 T는 1족 원소, 2족 원소, 및 전이금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이며,

   상기 X는 S, Se, 및 Te로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상이고,

   상기 Y는 X와 상이하며, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고,

   상기 a는 0<a≤1이며,

   상기 b는 0≤b<1이고,

   n은 0≤n<2 이다.
2. 제1항에 있어서,

   상기 a 및 b가 1<a+b≤2의 범위를 갖는 것인 열전 재료.
3. 제1항에 있어서,

   상기 열전재료가 다결정 구조를 가지는 것인 열전재료.
4. 제1항에 있어서,

   상기 열전재료가 단결정 구조를 가지는 것인 열전재료.
5. in-plane 방향으로 불규칙 배열을 갖는 층상 구조를 나타내며,

   하기 화학식 1의 구조를 갖는 열전재료:

   <화학식 1>

   R_aT_bX_2-nY_n

   식중,

   상기 R은 희토류 원소이고,

   상기 T는 1족 원소, 2족 원소, 및 전이금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이며,

   상기 X는 S, Se, 및 Te로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상이고,

   상기 Y는 X와 상이하며, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고,

   상기 a는 0<a≤1이며,

   상기 b는 0≤b<1이고,

   n은 0≤n<2 이다.
6. 제5항에 있어서,

   상기 열전재료가,

   X, 또는 X와 Y로 이루어진 제1층; 및 X와 R, 또는 X와 Y와 R로 이루어진 제2층이 교호(交互)적으로 배열된 층상 구조를 나타내며,

   상기 제1층과 제2층 사이에 T가 삽입된 것인 열전재료.
7. 제5항에 있어서,

   상기 열전재료가 전류 밀도파에 의한 격자왜곡을 갖는 것인 열전재료.
8. 제5항에 있어서,

   상기 열전재료가 2차원적 전기 전도 특성을 갖는 것인 열전재료.
9. 제5항에 있어서,

   상기 열전재료가 벌크상인 것인 열전재료.
10. 제1 전극;

    제2 전극; 및

    상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재되며, 하기 화학식 1의 조성을 갖는 칼코게나이드 화합물을 포함하는 열전재료를 포함하는 열전소자:

    <화학식 1>

    R_aT_bX_2-nY_n

    식중,

    상기 R은 희토류 원소이고,

    상기 T는 1족 원소, 2족 원소, 및 전이금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이며,

    상기 X는 S, Se, 및 Te로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상이고,

    상기 Y는 X와 상이하며, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고,

    상기 a는 0<a≤1이며,

    상기 b는 0≤b<1이고,

    n은 0≤n<2 이다.
11. 열 공급원; 및

    상기 열공급원으로부터 열을 흡수하며, 하기 화학식 1의 조성을 갖는 칼코게나이드 화합물을 포함하는 열전재료;

    상기 열전재료와 접촉하도록 배치된 제1 전극; 및

    상기 제1 전극과 대향하도록 배치되며, 상기 열전재료와 접촉하는 제2 전극;을 구비하는 열전소자;

    를 구비하는 열전장치:

    <화학식 1>

    R_aT_bX_2-nY_n

    식중,

    상기 R은 희토류 원소이고,

    상기 T는 1족 원소, 2족 원소, 및 전이금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이며,

    상기 X는 S, Se, 및 Te로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상이고,

    상기 Y는 X와 상이하며, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고,

    상기 a는 0<a≤1이며,

    상기 b는 0≤b<1이고,

    n은 0≤n<2 이다.

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