KR20120125125A - Thermoelectric composition of Magnesium Silicide and the synthesis method of the same - Google Patents

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KR20120125125A KR1020110046736A KR20110046736A KR20120125125A KR 20120125125 A KR20120125125 A KR 20120125125A KR 1020110046736 A KR1020110046736 A KR 1020110046736A KR 20110046736 A KR20110046736 A KR 20110046736A KR 20120125125 A KR20120125125 A KR 20120125125A
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최순목
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Abstract

PURPOSE: A thermoelectric composition of magnesium silicide and a synthesizing method of the same are provided to control the pollution of the thermoelectric composition due to impurities from atmospheric gas. CONSTITUTION: A thermoelectric composition of magnesium silicide includes the following steps: magnesium and silicon are respectively weighed and mixed to prepare a mixture; and the mixture is sealed under a vacuum condition and is thermally treated and synthesized under the sealed state. The thermally treating and synthesizing process is arranges the mixture in a crucible and introduces the crucible in a quartz container to be sealed.

Description

규화마그네슘 열전 조성물 및 그의 합성방법{Thermoelectric composition of Magnesium Silicide and the synthesis method of the same}Thermoelectric composition of Magnesium Silicide and the synthesis method of the same}

본 발명은 규화마그네슘 열전 조성물 및 그의 합성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Mg와 Si를 각각 칭량하여 혼합함으로써, 규화마그네슘 열전 조성물 제조용 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 혼합물을 진공이 유지된 상태에서 밀봉하고, 밀봉된 상태에서 열처리하여 합성하는 단계;를 포함하여 구성되는 규화마그네슘 열전 조성물의 합성방법 및 그로부터 합성되는 규화마그네슘을 제공한다.The present invention relates to a magnesium silicate thermoelectric composition and a method for synthesizing the same, and more particularly, to prepare a mixture for preparing a magnesium silicate thermoelectric composition by weighing and mixing Mg and Si, respectively; And sealing the mixture in a vacuum-maintained state, and thermally treating the mixture in a sealed state to provide a method of synthesizing the magnesium silicate thermoelectric composition, and magnesium silicate synthesized therefrom.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 단순화된 공정을 통해서도 높은 figure of merit를 도출할 수 있어 열전물성이 고도로 향상된 열전 조성물을 간이하게 제조할 수 있는 작용효과가 기대된다. 즉, 본 발명은 산업화가 가능한 공정을 도출하되, 이러한 공정을 크게 단순화함으로써 공정 경제성을 향상할 수 있으며, 그럼에도 불구하고 종래의 방법에 의하여 제조되는 열전조성물에 비하여 열전성능을 크게 향상시킬 수 있다. According to the present invention as described above, a high figure of merit can be derived even through a simplified process, and thus, an effect of simply preparing a thermoelectric composition having highly improved thermoelectric properties is expected. That is, the present invention derives a process that can be industrialized, but by greatly simplifying such a process, it is possible to improve process economics, and nevertheless, it is possible to greatly improve thermoelectric performance as compared to a thermocomposite manufactured by a conventional method.

규화물 열전재료는 지구상에 풍부하다는 점과 부산물에 독성이 존재하지 않는다는 점에서 그 장점을 갖는다. 이 중 Mg2Si 열전재료가 주목받고 있는데, 이는 Mg2Si가 매우 효율적인 열전발전기(thermoelectric power generator)로 평가되고 있기 때문이다. 이는 다른 규화물 조성(예를 들어 FeSi2 등)에 비해 전기전도도가 높고 열전도도는 낮은 특성을 가지고 있기 때문이다. 이러한 Mg2Si는 PbTe, CoSb3 등 열전물질과 비교하여 비슷한 작업온도범위를 가지며, Mg2Si의 figure of merit은 PbTe와 CoSb3에 뒤지지 않는 것으로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고 매우 유망한 열전발전기로 평가되고 있기 때문에 관련된 연구가 매우 활발하다. 게다가 Mg2Si는 친환경적이므로 이를 사용하여 제작된 장치는 안전한 작동과 취급이 가능하다. Silicide thermoelectric materials have the advantage that they are abundant on earth and that there is no toxicity in the by-products. Among them, Mg 2 Si thermoelectric material is attracting attention because Mg 2 Si is evaluated as a very efficient thermoelectric power generator. This is because it has higher electrical conductivity and lower thermal conductivity than other silicide compositions (for example, FeSi2). Mg2Si has a similar working temperature range compared to thermoelectric materials such as PbTe and CoSb3, and figure of merit of Mg2Si is known to be inferior to PbTe and CoSb3. Nevertheless, since it is evaluated as a very promising thermoelectric generator, related research is very active. In addition, Mg2Si is environmentally friendly, so devices built using it can be safely operated and handled.

열전 재료의 효율은 무차원의 열전 figure of merit에 의해서 결정되는데, 상기 figure of merit는 식으로서 ZT = S2σT/κ로 표현되며, 여기서 S, σ, κ, T는 각각 제벡계수, 전기전도도, 총 열전도도, 절대온도를 의미한다. 그러므로, 낮은 격자 열전도도와 높은 캐리어 이동도는 개선된 figure of merit을 위해서 바람직하다고 할 수 있다. The efficiency of a thermoelectric material is determined by a dimensionless thermoelectric figure of merit, which is expressed as ZT = S2σT / κ, where S, σ, κ, and T are the Seebeck coefficient, electrical conductivity, and total, respectively. Thermal conductivity means absolute temperature. Therefore, low lattice thermal conductivity and high carrier mobility are desirable for an improved figure of merit.

Vining 등은 인자 A'=(T/300)(m*/me)3/2μ/κph가 Mg2Si 시스템의 경우, SiGe 또는 β-FeSi2 시스템의 경우보다 상대적으로 더 크다고 보고한 바 있다. 여기서, m*는 캐리어의 유효질량, μ은 cm2/(Vs)의 단위를 갖는 이동도, κph는 mW/(cmK)의 단위를 갖는 격자 열전도도이다. 일반적으로 유효질량 m*이 크면 제벡계수가 커서 높은 전압을 얻을 수 있고 모빌리티 μ가 크면 전기전도도가 높다. 또한 κph가 작을수록 A'값이 크며 열손실이 줄어들어 효율이 늘어난다. 그러므로, Mg2Si 시스템은 연구개발과정을 통하여 향후 보다 더 높은 ZT 값을 보유할 수 있을 것으로 예상할 수 있다. Vining et al. Reported that the factor A '= (T / 300) (m * / me) 3 / 2μ / κph is relatively larger for Mg2Si systems than for SiGe or β-FeSi2 systems. Where m * is the effective mass of the carrier, μ is the mobility with units of cm2 / (Vs), and κph is the lattice thermal conductivity with units of mW / (cmK). In general, when the effective mass m * is large, the Seebeck coefficient is large, and a high voltage is obtained. When the μ is large, the electrical conductivity is high. In addition, the smaller the κph, the larger the A 'value and the less the heat loss, the higher the efficiency. Therefore, the Mg2Si system can be expected to have higher ZT value in the future through the R & D process.

이와 같은 이유로, Mg2Si의 원천적인 전기적 물성과 관련된 많은 연구가 이루어지고 있다. 일 예로, Morris 등은 밴드갭 에너지가 0.78까지 측정된 단결정의 전기적 물성에 관해 보고한 바 있다. 또한, Tamura 등은 Mg2Si 결정이 매우 좁은 도너 레벨(~9 meV)을 갖는다고 보고한 바 있다. 이들은 또한 결정의 전기적 물성을 결정하는데 있어서 불순물이 상당한 역할을 한다고 밝혀내었다. 즉, 불순물은 도너 또는 억셉터로 작용하면서 결정의 전기적 물성을 변화시키는 것이다. For this reason, a lot of research has been conducted regarding the original electrical properties of Mg 2 Si. For example, Morris et al. Reported the electrical properties of single crystals with bandgap energy measured up to 0.78. Tamura et al. Also reported that Mg 2 Si crystals have very narrow donor levels (˜9 meV). They also found that impurities play a significant role in determining the electrical properties of crystals. That is, impurities act as donors or acceptors to change the electrical properties of the crystal.

일 예로서, 결정의 전기적 성질은 Mg 출발물질의 순도가 4N ~ 6N으로 변화할 때 크게 변화하였다. 그러므로 Mg 출발물질의 순도유지는 매우 중요한 과제인 바, 이를 위한 별도의 공정성 도출에 대해서는 현재 연구가 이루어진 바 없었다. As an example, the electrical properties of the crystals changed significantly when the purity of the Mg starting material changed from 4N to 6N. Therefore, maintaining purity of Mg starting material is a very important task.

한편, 종래의 Mg2Si의 제조법은 Mg, Si 등을 포함하는 단체들을 고온으로 용융한 후, 여기에서부터 Mg2Si를 석출시키는 과정에 의한다. 그러나, Mg2Si의 석출은 2차상이 혼입되거나, 또는 Mg의 높은 휘발성이 문제가 되므로, Mg의 융점을 넘는 온도로 용융되는 경우 Mg의 손실이 불가피한 문제점이 있으며, Mg2Si를 화학양론적 조성에 부합되도록 제조하는데 어려움이 있었다.On the other hand, the conventional manufacturing method of Mg2Si is based on the process of precipitating Mg, Si, and the like containing a single body at a high temperature, and then precipitates Mg2Si. However, the precipitation of Mg 2 Si is a problem that the secondary phase is mixed, or the high volatility of Mg is a problem, the loss of Mg is inevitable when melting at a temperature above the melting point of Mg, Mg 2 Si to match the stoichiometric composition There was a difficulty in manufacturing.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 진공상태를 유지하면서 용융공정을 수행하여 순수한 Mg2Si를 합성함으로써 그에 따른 열전물성을 개선하고자 하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, it is an object of the present invention to improve the thermoelectric properties according to the synthesis by pure Mg2Si by performing a melting process while maintaining a vacuum state.

본 발명에서는 Mg의 휘발을 최대한 억제하고, 분위기 가스로부터 유입되는 불순물에 의한 오염을 제어하기 위하여 본 발명에서는 도가니를 진공중에서 석영 앰플에 장입한 후 이를 밀봉하였다. 이와 같이 진공중에서 밀봉된 상태로 Mg2Si의 합성을 시도하는 것이 본 발명의 핵심적 요소이다.In the present invention, in order to suppress the volatilization of Mg as much as possible, and to control contamination by impurities introduced from the atmosphere gas, in the present invention, the crucible was charged into a quartz ampoule in a vacuum and then sealed. Thus attempting to synthesize Mg 2 Si in a sealed state in vacuum is a key element of the present invention.

또한, 본 발명은 스파크 플라즈마 소결방법을 이용하여 소결함으로써 전술한 진공용융법과 마찬가지로, (a) Mg와 Si간의 고상반응, (b) 상대적으로 저온에서 단시간내의 치밀화를 구현함으로써 융점이 낮은 Mg와 도판트의 휘발을 억제하여 열전 조성물의 열전 물성을 효과적으로 제어하는 것을 다른 목적으로 한다. In addition, the present invention is sintered using a spark plasma sintering method, similarly to the vacuum melting method described above, (a) solid phase reaction between Mg and Si, (b) compaction in a short time at a relatively low temperature by implementing a low melting point Mg and plate Another object is to effectively control the thermoelectric properties of the thermoelectric composition by suppressing volatilization of the heat.

즉, 진공용융방법과 SPS 방법은 본 발명에 의한 화학양론적인 Mg2Si를 합성하는데 있어서 중요한 요소이며, 두 요소간의 유기적 결합에 의하여 최적의 Mg2Si를 합성할 수 있다. That is, the vacuum melting method and the SPS method are important elements in synthesizing the stoichiometric Mg 2 Si according to the present invention, and the optimum Mg 2 Si can be synthesized by organic bonding between the two elements.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, Mg와 Si를 각각 칭량하여 혼합함으로써, 규화마그네슘 열전 조성물 제조용 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 혼합물을 진공이 유지된 상태에서 밀봉하고, 밀봉된 상태에서 열처리하여 합성하는 단계;를 포함하여 구성되는 규화마그네슘 열전 조성물의 합성방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of preparing a mixture for preparing a magnesium silicide thermoelectric composition by weighing and mixing Mg and Si, respectively; And sealing the mixture in a state where vacuum is maintained, and synthesizing the mixture by heat treatment in the sealed state.

상기 상기 혼합물을 진공이 유지된 상태에서 밀봉하고, 밀봉된 상태에서 열처리하여 합성하는 단계;는 상기 밀봉은 혼합물을 도가니에 수용하고, 상기 도가니를 진공상태에서 석영 용기에 장입하여 밀봉하는 것이 바람직하다.Sealing the mixture in a vacuum maintained state, and heat-synthesizing it in the sealed state; the sealing is preferably to accommodate the mixture in a crucible and to charge the crucible in a quartz container under vacuum. .

또한, 본 발명은 상기 방법에 의하여 제조되어 figure of merit이 향상된 규화마그네슘 열전 조성물을 제공한다.In addition, the present invention provides a magnesium silicate thermoelectric composition prepared by the above method to improve the figure of merit.

또한 본 발명은 상기 방법에 의하여 제조되는 열전 조성물을 950 ~ 1150K의 온도범위에서 소결하여 제조되는 규화마그네슘 열전체을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a magnesium silicate thermoelectric is prepared by sintering the thermoelectric composition prepared by the above method at a temperature range of 950 ~ 1150K.

또한, 본 발명은 상기 소결은 스파크 플라즈마 소결방법에 의하는 것이 바람직하다.In the present invention, the sintering is preferably based on the spark plasma sintering method.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 단순화된 공정을 통해서도 높은 figure of merit를 도출할 수 있어 열전물성이 고도로 향상된 열전 조성물을 간이하게 제조할 수 있는 작용효과가 기대된다.According to the present invention as described above, a high figure of merit can be derived even through a simplified process, and thus, an effect of simply preparing a thermoelectric composition having highly improved thermoelectric properties is expected.

즉, 본 발명은 산업화가 가능한 공정을 도출하되, 이러한 공정을 크게 단순화함으로써 공정 경제성을 향상할 수 있으며, 그럼에도 불구하고 종래의 방법에 의하여 제조되는 열전조성물에 비하여 열전성능을 크게 향상시킬 수 있다. That is, the present invention derives a process that can be industrialized, but by greatly simplifying such a process, it is possible to improve process economics, and nevertheless, it is possible to greatly improve thermoelectric performance as compared to a thermocomposite manufactured by a conventional method.

또한, 본 발명은 진공중에서 용융하여 Mg2Si를 화학양론적으로 합성함으로써 Mg의 휘발이 억제되고 합성과정에서 분위기 가스에 의한 불순물의 혼입을 방지할 수 있으므로, 우수한 물성을 갖는 Mg2Si를 재현성 있게 합성할 수 있다. In addition, the present invention can synthesize Mg 2 Si by stoichiometric synthesis of Mg 2 Si to prevent volatilization of Mg and to prevent the incorporation of impurities by atmospheric gases during the synthesis process, and thus reproducibly synthesize Mg 2 Si having excellent physical properties. have.

또한, 본 발명은 스파크 플라즈마 소결방법을 이용하여 소결한 것으로서, 이에 의하면 (a) Mg와 Si간의 고상반응, (b) 상대적으로 저온에서 단시간내의 치밀화를 구현함으로써 융점이 낮은 Mg와 도판트의 휘발을 억제하여 열전 조성물의 열전 물성을 효과적으로 제어할 수 있다. In addition, the present invention is sintered using a spark plasma sintering method, according to the present invention (a) solid phase reaction between Mg and Si, (b) compaction in a short time at a relatively low temperature by volatilization of low melting point Mg and dopant By suppressing the thermoelectric properties of the thermoelectric composition can be effectively controlled.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의해 Mg : Si의 조성비를 변경하여 제조된 Mg2Si에 대하여 각각 X선 분석하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 소결온도를 달리하여 제조한 Mg2Si 샘플에 대하여 (a) 전기전도도와 (b) 제벡계수를 각각 측정하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의해 소결온도를 달리하여 제조한 Mg2Si 샘플에 대하여 (a) 열전도도와 (b) 무차원의 figure of merit를 각각 측정하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 Mg2Si 샘플의 ZT값을 종래에 보고된 다른 방법들에 의해 제조된 Mg2Si의 ZT값과 비교하여 나타낸 그래프이다.
1 is a graph showing X-ray analysis of Mg 2 Si prepared by changing the composition ratio of Mg: Si according to an embodiment of the present invention, respectively.
FIG. 2 shows (a) electrical conductivity and (b) Seebeck coefficient for Mg 2 Si samples prepared by varying the sintering temperature according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows (a) thermal conductivity and (b) dimensionless figure of merit for Mg 2 Si samples prepared by varying the sintering temperature according to one embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graph showing the ZT value of the Mg2Si sample prepared by one embodiment of the present invention compared with the ZT value of Mg2Si prepared by other methods previously reported.

이하에서는 첨부되는 도면과 실시예를 기초로 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and embodiments.

<제조예><Production Example>

Mg2Si상은 상평형 다이어그램에서 유일한 화학양론적 규화물이며, 1358K의 공융점을 갖는다. 순수한 Mg의 끓는점이 1363K이므로, Mg2Si의 화학양론적 용융에 의한 공융 결정화는 합성과정에서 매우 주의깊에 다루어져야 하는데, 이는 Mg가 상당한 수준으로 증발하기 때문이다. 본 발명에서는 다결정 Mg2Si를 Mg/Si 비율을 67 : 33에서부터 70 : 30 원자%까지 조절함으로써 비화학양론적 용융상태로부터 합성하였다. The Mg2Si phase is the only stoichiometric silicide in the phase equilibrium diagram and has a eutectic point of 1358K. Since the boiling point of pure Mg is 1363K, eutectic crystallization by stoichiometric melting of Mg2Si must be handled with great care during the synthesis, since Mg evaporates to a significant level. In the present invention, polycrystalline Mg 2 Si was synthesized from a non-stoichiometric melt state by controlling the Mg / Si ratio from 67:33 to 70:30 atomic%.

이를 위하여 본 발명에서는 고순도의 Mg(>99.8%)와 Si(99.999%)를 출발물질로 사용하였다. Mg와 Si 분말을 알루미나 도가니에 수용하고, 이를 석영앰플에 진공을 유지하면서 장입한 후 밀봉하였다. 이후 상기 도가니는 전기로에서 약 1358K의 온도에서 30분간 열처리되었다. For this purpose, high purity Mg (> 99.8%) and Si (99.999%) were used as starting materials. Mg and Si powder were accommodated in an alumina crucible, charged into a quartz ampoule while maintaining a vacuum, and then sealed. The crucible was then heat treated at a temperature of about 1358 K for 30 minutes in an electric furnace.

이로부터 다결정질 잉곳을 얻을 수 있었으며, 이를 분쇄하고, 45㎛의 눈금을 갖는 체에서 체가름 한 후, SPS(Spark Plasma Sintering) 방법에 의하여 흑연다이 상에서 973 ~ 1123K의 온도에서 10분간 40MPa의 압력으로 소결하였다. 이후, 소결된 시편들을 절단 및 연마 가공하였다. 따라서, 본 발명에 의한 소결온도는 950 ~ 1150K의 범위로 설정될 수 있는데, 이는 Mg2Si의 융점보다 훨씬 낮은 온도이기 때문에 소결이 가능하면서도 경제성을 고려한 최적의 온도범위를 고려한 데 그 의의가 있다.
From this, a polycrystalline ingot was obtained, which was pulverized, sieved in a sieve having a scale of 45 μm, and then pressured at 40 MPa for 10 minutes at a temperature of 973 to 1123 K on a graphite die by a SPS (Spark Plasma Sintering) method. Sintered by. The sintered specimens were then cut and polished. Therefore, the sintering temperature according to the present invention can be set in the range of 950 ~ 1150K, which is significant because the temperature is much lower than the melting point of Mg2Si, considering the optimum temperature range considering sintering and economic feasibility.

<평가예>&Lt; Evaluation example &

이와 같이 가공된 시편들을 X선 분석하였다. 또한, 펠렛의 표면을 전계방출 전자현미경(JSM-6700F, JEOL)으로 관찰하였다. 또한, 제벡계수와 전기전도도를 포함하는 열전물성을 상온에서부터 800K까지의 온도범위에서 Ozawa Science(RZ2001i)제 측정기구를 이용하여 측정하였다. 아울러, 열확산계수와 비열을 레이저 플래쉬 장치(Netzsch LFA 457)을 이용하여 측정하였다. The specimens thus processed were analyzed by X-ray. In addition, the surface of the pellet was observed by the field emission electron microscope (JSM-6700F, JEOL). In addition, thermoelectric properties including Seebeck coefficient and electrical conductivity were measured using a measuring apparatus manufactured by Ozawa Science (RZ2001i) in the temperature range from room temperature to 800K. In addition, the thermal diffusion coefficient and specific heat were measured using a laser flash apparatus (Netzsch LFA 457).

열전도도 k는 k = DaCp로부터 계산하였는데, 여기서 a는 열확산계수, Cp는 단위체적당 열용량, D는 물질의 밀도이다.
Thermal conductivity k was calculated from k = DaCp, where a is the coefficient of thermal diffusion, Cp is the heat capacity per unit volume, and D is the density of the material.

Mg:Si의 비율을 원자비 기준으로 67:33, 68:32, 69:31 및 70:30의 비율로 조절하여 X선 분석하고 그 결과를 도 1에 나타내었다. 모든 샘플에 대하여, 주 피크는 Mg2Si인 것으로 나타났으나, 67 : 33 샘플의 경우, 이차상으로 Si피크가 검출되었다. 그리고, 69:31 및 70:30 비율의 경우 이차상으로서 Mg가 검출되었다. 위 원자비는 모두 소량의 Mg가 더 첨가된 경우에 대해서 설정된 것인데, 그 중 68 : 32의 비율에서 가장 화학양론적인 Mg2Si가 합성됨을 알 수 있었다. 즉, 화학양론적인 Mg2Si가 합성되기 위해서는 소량의 Mg가 더 첨가된 경우라야 가능하다. 이는 본 발명에서 석영 앰플에 진공 밀봉하였으나 석영 앰플과 미량 반응하면서 Mg가 소모될 수 있기 때문이다.X-ray analysis was performed by adjusting the ratio of Mg: Si at the ratio of 67:33, 68:32, 69:31, and 70:30 on an atomic ratio basis, and the results are shown in FIG. 1. For all samples, the main peak was found to be Mg 2 Si, but for 67:33 samples Si peak was detected as secondary phase. And in the case of 69:31 and 70:30 ratio, Mg was detected as a secondary phase. All of the above atomic ratios were set for the case where a small amount of Mg was added, of which the most stoichiometric Mg 2 Si was synthesized at a ratio of 68:32. In other words, in order for the stoichiometric Mg 2 Si to be synthesized, only a small amount of Mg is added. This is because, in the present invention, but vacuum-sealed in the quartz ampoule, Mg may be consumed while reacting in a small amount with the quartz ampoule.

소결된 샘플의 모폴로지(morphology)는 도시되지는 않았으나, SPS의 방법으로 1123K에서 소결된 시편에 있어서 가장 치밀화된 시편을 얻을 수 있었으며, 가장 높은 밀도와 균질한 고용체의 생성이 가능하였다. 또한, 본 합성과정에 의해 합성된 Mg2Si 샘플을 소결한 결과, 두드러질 만한 기공은 관찰되지 아니하였다. 다만, 50K정도의 작은 소결온도 변화에 의해서도 밀도와 기공율의 변화는 매우 크게 나타남을 알 수 있었다. Although the morphology of the sintered samples is not shown, the densified specimens were obtained for the sintered specimen at 1123K by SPS method, and the highest density and homogeneous solid solution was possible. In addition, as a result of sintering the Mg 2 Si sample synthesized by the present synthesis process, no noticeable pores were observed. However, the change in density and porosity was very large even by the small sintering temperature of about 50K.

Mg2Si의 전기전도도의 온도의존성을 도 2(a)에 나타내었다. 도시된 바와 같이, 소결된 Mg2Si의 모든 샘플의 경우에 대해서 반도성을 나타내었다. 전기전도도는 300K ~ 650K의 범위에서 단조적으로 증가하였다. The temperature dependence of the electrical conductivity of Mg 2 Si is shown in Figure 2 (a). As shown, semiconductivity was shown for all samples of sintered Mg2Si. Electrical conductivity increased monotonically in the range of 300K to 650K.

Mg2Si 반도체는 좁은 도너 레벨을 가지고 있으며, SPS 온도의 증가에 따라서 전기전도도는 증가한다. 이는 밀도의 증가와 기공율의 감소에 기인하는 것으로 생각된다. 그 결과, 1123K에서 SPS 방법으로 소결된 Mg2Si는 다른 온도에서 소결된 샘플보다 더 높은 전기전도도를 나타내었다. Mg2Si semiconductors have a narrow donor level and their conductivity increases with increasing SPS temperature. This is thought to be due to the increase in density and the decrease in porosity. As a result, Mg 2 Si sintered by the SPS method at 1123 K showed higher electrical conductivity than the sample sintered at other temperatures.

Mg2Si의 제벡계수의 온도의존성을 도 2(b)에 나타내었다. 모든 샘플에 대하여 제벡계수는 음의 값을 나타내었으며, 따라서 n타입의 거동양상이라고 할 것이다. 모든 시편에 대한 제벡계수의 절대값은 SPS방법에 의한 소결온도가 감소함에 따라 증가하는 경향을 보였다. 가장 높은 제벡계수는 SPS의 방법으로 1123K의 온도에서 소결된 Mg2Si를 588K에서 작동하였을 때, 279μVK-1의 값으로 나타났다. 대개, 제벡계수와 전기전도도는 역비례하는 관계를 나타낸다. 이를 수식과 함께 도출하면 다음과 같다.The temperature dependence of the Seebeck coefficient of Mg 2 Si is shown in FIG. 2 (b). The Seebeck coefficient was negative for all samples, and hence the n-type behavior. The absolute value of Seebeck coefficient for all specimens tended to increase with decreasing sintering temperature by SPS method. The highest Seebeck coefficient was found to be 279 μVK-1 when the Mg 2 Si sintered at 588 K was sintered at a temperature of 1123 K by SPS. Usually, Seebeck coefficient and electrical conductivity are inversely related. Derived together with the formula is as follows.

제벡계수는 다음 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.Seebeck coefficient can be expressed by the following equation (2).

Figure pat00001
(2)
Figure pat00001
(2)

여기서, ±는 정공과 전자에 의한 기여도를 나타내는 것이다. 또한, ζ = (EF/kT)는 감소된 페르미 에너지를, k는 볼쯔만 상수를, T는 절대온도를, s는 산란지수를 각각 나타낸다. 식 (2)에서 감소된 페르미 에너지는 캐리어농도 n과 관련되는데, 여기서 n은 다음 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다. Here, ± represents the contribution of holes and electrons. Also, ζ = (EF / kT) represents a reduced Fermi energy, k represents Boltzmann constant, T represents absolute temperature, and s represents scattering index. The reduced Fermi energy in equation (2) is related to the carrier concentration n, where n can be expressed as in the following equation (3).

Figure pat00002
(3)
Figure pat00002
(3)

여기서 h는 프랑크 상수이다.
Where h is the Frank's constant.

식 (2) 및 (3)으로부터, 제벡계수는 캐리어 농도와 역비례함을 알 수 있다. 반면, 전기전도도와 캐리어 농도는 정비례의 관계에 있게 된다. 따라서, 전기전도도와 제벡계수는 역비례의 관계가 성립된다. 그러므로, SPS의 방법에 의해 1123K에서 소결함으로써 부여된 높은 전기전도도는 낮은 제벡계수의 원인이 되는 것이다. From Equations (2) and (3), it can be seen that the Seebeck coefficient is inversely proportional to the carrier concentration. On the other hand, electrical conductivity and carrier concentration are directly proportional. Therefore, the inverse relationship between the electrical conductivity and the Seebeck coefficient is established. Therefore, the high electrical conductivity imparted by sintering at 1123 K by the SPS method causes the low Seebeck coefficient.

Mg2Si의 열전도도(κ)의 온도의존성을 도 3(a)에 나타내었다. 측정된 κ값은 온도가 증가함에 따라서 단조적으로 감소하였으며, 이는 포논산란의 증가를 의미한다. SPS방법에 의해 973K의 온도에서 소결된 샘플의 경우, 즉 가장 낮은 온도에서 소결한 샘플의 경우 773K의 작동온도에서 0.03W/cmK의 최소 열전도도를 나타내었다. 일반적으로 열전도도와 전기전도도는 모두 기공율과 밀도에 의존하므로 상호 비례하는 관계에 있다. 따라서, 높은 밀도에 기인하는 가장 높은 전기전도도는 가장 높은 열전도도의 원인이 된다. The temperature dependence of the thermal conductivity κ of Mg 2 Si is shown in FIG. 3 (a). The measured kappa decreased monotonously with increasing temperature, indicating an increase in phonon scattering. For samples sintered at 973K by the SPS method, that is, samples sintered at the lowest temperature, a minimum thermal conductivity of 0.03 W / cmK was shown at an operating temperature of 773K. In general, both thermal conductivity and electrical conductivity are proportional to each other because they depend on porosity and density. Therefore, the highest electrical conductivity due to the high density is the cause of the highest thermal conductivity.

또한, 무차원의 figure of merit ZT를 상온에서부터 800K의 온도범위에서 측정하여 도 3(b)에 나타내었다. ZT값은 온도가 증가함에 따라 증가하였다. ZT의 최대값은 SPS의 방법에 의해 1123K에서 열처리한 샘플에 있어서 773K의 작업온도에서 0.28를 나타내었다. In addition, the dimensionless figure of merit ZT is measured in the temperature range of 800K from room temperature is shown in Figure 3 (b). ZT value increased with increasing temperature. The maximum value of ZT was 0.28 at the working temperature of 773 K for the sample heat-treated at 1123 K by the SPS method.

이러한 순수 Mg2Si 샘플의 ZT값은 현재까지 보고된 데이터보다 높은 것이다. 도 4에 종래에 보고된 데이터와 본 발명에 의해 측정된 데이터를 비교하여 나타내었다. 여기서, ■는 진공용융 및 SPS를 병행한 본 발명에 의한 샘플의 ZT, ○는 Jun-ichi Tani et al. 등에 의해 SPS 소결된 샘플의 ZT, △는 Masayasu Akasaka et al. 에 의해서 Vertical Bridgeman method를 사용하여 소결된 샘플의 ZT, ▽는 Masayasu Akasaka et al. 에 의해서 Vertical Bridgeman method 및 SPS 방법을 사용하여 소결된 샘플의 ZT를 각각 나타낸 것이다. 비록 경우에 따라서 본 발명에 의한 ZT값이 보고된 값 중 어느 것보다 낮았으나, 상기 높은 ZT값을 나타낸 사례는 결정성장방법이라는 고도의 방법에 의해 얻은 것이며, 따라서, 이러한 고도의 방법을 사용하지 않고도 높은 ZT값을 도출한 본 발명의 가치는 상용화에 유리한 공정을 구현하였다는데 있다. 즉, 보고된 값 중 본 발명보다 높은 ZT가 도출된 값은 상용화 측면에서 본 발명에 비하여 불리한 것이다. (종래의 합성 공정과 연동되어 보강되어야 합니다. 이는 배경기술에서 보강해 주시는 내용을 토대로 구성하겠습니다.)The ZT values of these pure Mg 2 Si samples are higher than the data reported to date. 4 shows a comparison of the data reported by the present invention and the data reported in the prior art. Here, ■ is ZT of the sample according to the present invention in combination with vacuum melting and SPS, ○ is Jun-ichi Tani et al. ZT, Δ of the SPS sintered samples by Masayasu Akasaka et al. ZT of samples sintered using the Vertical Bridgeman method by ▽ is Masayasu Akasaka et al. ZT of the samples sintered using the Vertical Bridgeman method and the SPS method, respectively. Although the ZT value according to the present invention was lower than any of the reported values in some cases, the example showing the high ZT value was obtained by an advanced method called a crystal growth method, and therefore, such an advanced method was not used. The value of the present invention, which derives a high ZT value, is that it implements an advantageous process for commercialization. That is, the value from which the higher ZT is derived from the reported value than the present invention is disadvantageous compared to the present invention in terms of commercialization. (It should be reinforced in conjunction with the conventional synthesis process. This will be based on what is reinforced in the background art.)

본 발명에 의하면, 정확한 화학양론적 Mg2Si를 합성하기 위하여 Mg의 휘발, 불순물의 혼입방지에 의한 2차상의 생성, 전기적 특성의 변화를 감안한 것으로서, 진공용융법을 사용하였다는데 그 1차적 의의가 있는 것이며, 이에 더 나아가 스파크 플라즈마 소결공정을 더 부가하였다는데에 그 의미가 있는 것이다. According to the present invention, in order to synthesize accurate stoichiometric Mg 2 Si, the vacuum melting method is used, considering the volatilization of Mg, the generation of secondary phases by preventing the incorporation of impurities, and the change of electrical properties. In addition, it is meaningful that the spark plasma sintering process was further added.

따라서, 진공용융법 그 자체로도 본 발명의 특징을 이루는 한편, 진공용융법과 스파크 플라즈마 소결방법은 이들이 유기적으로 결합되어 Mg2Si의 안정적 상합성을 가능하게 하는 것이다.
Therefore, while the vacuum melting method itself forms a feature of the present invention, the vacuum melting method and the spark plasma sintering method are those in which they are organically combined to enable stable homogeneity of Mg 2 Si.

이상과 같이 본 발명을 그 바람직한 실시예를 기초로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 실시예에 의해 한정하여 해석되어서는 아니되며, 특허청구범위에 기재된 내용과 이를 위한 발명의 상세한 설명을 참작하여 그 범위를 결정하여야 할 것이다. As described above, the present invention has been described based on the preferred embodiments, but the present invention should not be construed as being limited to the above embodiments, but the contents described in the claims and the detailed description of the invention for the same. The range will have to be determined.

Claims (5)

Mg와 Si를 각각 칭량하여 혼합함으로써, 규화마그네슘 열전 조성물 제조용 혼합물을 제조하는 단계; 및
상기 혼합물을 진공이 유지된 상태에서 밀봉하고, 밀봉된 상태에서 열처리하여 합성하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 규화마그네슘 열전 조성물의 합성방법.
Preparing a mixture for preparing a magnesium silicide thermoelectric composition by weighing and mixing Mg and Si, respectively; And
Sealing the mixture in a vacuum state and heat-treating it in the sealed state to synthesize it;
Method of synthesizing the magnesium silicide thermoelectric composition comprising a.
제 1 항에 있어서,
상기 상기 혼합물을 진공이 유지된 상태에서 밀봉하고, 밀봉된 상태에서 열처리하여 합성하는 단계;는
상기 밀봉은 혼합물을 도가니에 수용하고, 상기 도가니를 진공상태에서 석영 용기에 장입하여 밀봉하는 것임을 특징으로 하는 규화마그네슘 열전 조성물의 합성방법.
The method of claim 1,
Sealing the mixture in a vacuum maintained state, and heat treating the sealed state in a sealed state;
The sealing is a method for synthesizing the magnesium silicide thermoelectric composition, characterized in that the mixture is accommodated in the crucible, and the crucible is charged into a quartz container under vacuum.
제 1 항의 방법에 의하여 제조되어 figure of merit이 향상된 것을 특징으로 하는 규화마그네슘 열전 조성물.Magnesium silicide thermoelectric composition prepared by the method of claim 1, characterized in that the improved figure of merit. 제 1 항의 방법에 의하여 제조되는 열전 조성물을 950 ~ 1150K의 온도범위에서 소결하여 제조되는 것을 특징으로 하는 규화마그네슘 열전체.Magnesium silicide thermoelectric, characterized in that produced by sintering the thermoelectric composition prepared by the method of claim 1 at a temperature range of 950 ~ 1150K. 제 4 항에 있어서,
상기 소결은 스파크 플라즈마 소결방법에 의하는 것임을 특징으로 하는 규화마그네슘 열전체.
The method of claim 4, wherein
Magnesium silicide thermoelectric, characterized in that by the spark plasma sintering method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ306710B6 (en) * 2016-02-25 2017-05-17 Ústav Chemických Procesů Av Čr, V. V. I. The method of production of magnesium silicide and its processing

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