KR20120133009A - Method of development for the enhancement of thermoelectric efficiency of thermoelectric material through annealing process - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Thermoelectric materials, a method for improving thermoelectric efficiency thereof, and a supporting body including the same are provided to improve crystallization of the thermoelectric material including bismuth telluride by performing heat treatment using a sealing container which is completely sealed up. CONSTITUTION: Thermoelectric materials including bismuth telluride is prepared. The thermoelectric materials are a nanowire structure or a bulk type structure. The thermoelectric materials including the bismuth telluride is accepted in a sealing container filled with inert gas. The sealed container for accepting the thermoelectric materials is sealed up through alumina paste. The sealed container is filled with tellurium powder and heat treatment is performed. [Reference numerals] (AA) Manufacturing porous(Al2O3) supporter; (BB) Anodizing method; (CC) Synthesizing Bi2Te3 nanorwire; (DD) Pulse electroplating method; (EE) Opening a sealing container; (FF) Filling Bi2Te3 nanowire + Te powder; (GG) Sealing a sealing container with Al paste; (HH) Glove Box; (II) Quartz Chamber; (JJ) Thermal process execution; (KK) 573K-673K

Description

열전물질, 열전물질의 열전 효율 향상 방법 및 열전물질을 포함하는 지지체{Method of development for the enhancement of thermoelectric efficiency of thermoelectric material through annealing process}Thermoelectric material, a method for improving the thermoelectric efficiency of the thermoelectric material and a support including the thermoelectric material {Method of development for the enhancement of thermoelectric efficiency of thermoelectric material through annealing process}

본 발명은 열처리를 통하여 열전 물질의 열전 효율 향상 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for improving the thermoelectric efficiency of a thermoelectric material through heat treatment.

최근에 에너지 위기를 통하여 에너지의 효율적인 사용을 위해서 열전 물질에 대한 관심이 증대되고 있다. 열전 물질은 그 목적에 따라 크게 전원 발생기(power generator)와 냉각용으로 분류될 수 있으며, 세밀하게는 자동차용 전력 발생기, 마이크로 냉각, 레이저 다이오드(laser diode)의 냉각용으로 이용될 수 있다. In recent years, interest in thermoelectric materials has been increasing for the efficient use of energy through the energy crisis. Thermoelectric materials can be broadly classified into power generators and cooling according to their purpose, and in detail, they can be used for cooling of automotive power generators, micro cooling, and laser diodes.

열전 물질의 효율은 무차원의 ZT 값인 다음의 식으로 정의될 수 있다.The efficiency of the thermoelectric material can be defined by the following equation, which is a dimensionless ZT value.

Figure pat00001
(S: 제백 계수,
Figure pat00002
: 전기전도도, κ: 열전도도)
Figure pat00001
(S: Seebeck coefficient,
Figure pat00002
: Electrical conductivity, κ: thermal conductivity)

최근에 다각도의 측면에서 열전 효율을 향상시키는 방법들이 보고되고 있다.Recently, methods for improving thermoelectric efficiency in terms of multiple angles have been reported.

특히, 열전효율을 향상하기 위해서는 제백계수(Seebeck coefficient)와 전기 전도도 값을 증가 시키고 동시에 열 전도도 값을 감소시켜야만 한다. 일반적으로 제백계수(Seebeck coefficient)와 전기전도도는 열전 물질의 전하 운반체 밀도(carrier concentration)의 함수이며 또한 결정구조에 영향을 많이 받게 된다.In particular, in order to improve thermoelectric efficiency, it is necessary to increase the Seebeck coefficient and the electrical conductivity while simultaneously reducing the thermal conductivity. In general, the Seebeck coefficient and the electrical conductivity are a function of the carrier concentration of the thermoelectric material and are also affected by the crystal structure.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 열처리를 통하여 비스무스 텔룰라이드(bismuth telluride)를 포함하는 열전물질의 제백 계수(sebeck coefficient)의 개선 및 열전물질의 결정 구조 개선을 통해서 전기 전도도의 향상을 기대할 수 있으며, 이를 토대로 최종적으로 이러한 열전물질로 구성된 열전 모듈의 열전 효율(성능 효율) 향상할 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to improve the Seebeck coefficient of the thermoelectric material including bismuth telluride and the crystal structure of the thermoelectric material through heat treatment Through the improvement of the electrical conductivity can be expected, based on this to provide a technology that can finally improve the thermoelectric efficiency (performance efficiency) of the thermoelectric module composed of such a thermoelectric material.

특히, 본 발명은 이러한 열처리 공정시, 열처리 온도 상승으로 인하 텔룰리움 성분의 기화로 인한 손실을 제거하기 위해 완벽하게 밀봉된 밀폐용기(sealing boat)를 이용하여 열처리를 수행함으로서, 비스무스텔룰라이드를 포함하는 열전 물질의 결정성 향상을 더욱 향상시키고 이로 인해 열전효율을 증진시킬 수 있는 공정을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.In particular, the present invention includes bismusteullide by performing a heat treatment using a sealed vessel (sealing boat) that is completely sealed in order to remove the loss due to the vaporization of the tellurium component lowered by the heat treatment temperature rise during this heat treatment process, It is another object of the present invention to provide a process for further improving the crystallinity improvement of the thermoelectric material and thereby improving the thermoelectric efficiency.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3)를 포함하는 열전물질을 합성하는 제1공정; 상기 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 열전물질을 외부 대기와 격리되며 비활성가스가 충진된 밀폐용기에 수용하여 열처리를 수행하는 제2공정;을 포함하되, 상기 밀폐용기에 텔룰리움 파우더를 충진하여 열처리가 수행되는 것을 포함하는 열전물질의 열전 효율 향상 방법을 제공할 수 있도록 한다.As a means for solving the above problems, the present invention comprises a first step of synthesizing a thermoelectric material comprising bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ); And a second step of performing thermal treatment by receiving the bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) thermoelectric material from an external atmosphere and receiving an airtight container filled with an inert gas, wherein the second container is filled with tellurium powder. It is possible to provide a method for improving thermoelectric efficiency of a thermoelectric material including performing heat treatment.

또한, 상기 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3)를 포함하는 열전물질을 합성하는 것은, 다공성 지지체 안에 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 나노와이어 구조물을 합성하는 공정인 열전물질의 열전 효율 향상 방법을 제공할 수 있도록 한다. 이 경우, 상술한 공정에서 상기 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 나노와이어 구조물을 합성하는 것은, 상기 다공성 알루미나(Al2O3) 지지체에 펄스도금방식을 통해 상기 나노와이어가 합성되도록 할 수 있다.In addition, the bismuth telrul fluoride (Bi 2 Te 3) The synthesis of thermoelectric material comprising a bismuth telrul fluoride (Bi 2 Te 3) improved thermal efficiency of the thermal conductive material step of synthesizing a nanowire structure in the porous support method Make it available. In this case, synthesizing the bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanowire structure in the above-described process, the nanowires may be synthesized by pulse plating on the porous alumina (Al 2 O 3 ) support. .

또한, 상술한 것과는 달리, 상기 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 열전물질을 합성하는 것은, 비스무스(Bismuth), 텔룰리움(Tellurium) 파우더를 열처리하여 나노사이즈의 Bi-Te계 파우더를 형성하고, 상기 Bi-Te계 파우더를 가공하여 벌크형(bulk type) 구조물로 합성할 수도 있다. 이 경우 상기 Bi-Te계 파우더를 가공하여 벌크형 구조물로 합성하는 것은, 상기 Bi-Te계 파우더를 몰드에 주입하고 핫프레싱을 통해 벌크형 구조물로 구현할 수 있다.In addition, unlike the above-mentioned, to synthesize the bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) thermoelectric material, the bismuth (Bismuth), tellurideum (Tellurium) powder to form a nano-size Bi-Te-based powder, The Bi-Te-based powder may be processed and synthesized into a bulk type structure. In this case, processing the Bi-Te-based powder and synthesizing it into a bulk structure may be implemented as a bulk-type structure by injecting the Bi-Te-based powder into a mold and hot pressing.

또한, 상기 제2공정의 열처리를 수행하는 것은, 573.15K~673.15K에서 수행될 수 있다. 아울러, 상기 열처리를 위한 준비과정은, 상기 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 열전물질을 외부 대기와 격리되며 비활성가스가 충진된 밀폐용기에 수용하는 준비과정이 외부 대기와 차단된 공간에서 수행될 수 있다. 특히, 이 경우 상기 제2공정의 비활성 가스는, 헬륨(He),네온(Ne),아르곤(Ar),크립톤(Kr),크세논(Xe),라돈(Rn) 중 선택되는 어느 하나의 기체일 수 있다.In addition, the heat treatment of the second process may be performed at 573.15K to 673.15K. In addition, the preparation process for the heat treatment, the preparation process for receiving the bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) thermoelectric material is isolated from the external atmosphere and filled with inert gas in a sealed container to be performed in a space blocked from the external atmosphere. Can be. In particular, in this case, the inert gas of the second process may be any one of helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), and radon (Rn). Can be.

또한, 상기 제2공정은, 상기 열전물질을 수용하는 밀폐용기는 알루미나 페이스트를 통해 밀봉(sealing)될 수 있다.In the second process, the sealed container containing the thermoelectric material may be sealed through an alumina paste.

아울러, 상기 제2공정이 열처리는 질소가 충진된 쿼츠 챔버(Quartz chamber)에서 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment of the second process may be performed in a quartz chamber filled with nitrogen.

또한, 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3)를 포함하는 열전물질을 외부대기와 격리하여 열처리를 수행하는 청구항 1의 방법을 통해 제조되며, Te:Bi의 화학적 조성비가 Bi:Te=2:3을 만족할 수 있으며, 상기 열전물질은 나노와이어 구조물 또는 벌크형 구조물일 수 있다.In addition, the thermoelectric material containing bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) is prepared by the method of claim 1 to perform heat treatment by isolating the external atmosphere, the chemical composition ratio of Te: Bi is Bi: Te = 2: 3 Satisfactory, the thermoelectric material may be a nanowire structure or a bulk structure.

아울러, 상기 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 나노와이어는, 단결정으로 이루어지며, (205), (110), (0015) 방향의 hexagonal Bi2Te3 상(phase)을 갖는 열전물질일 수 있다. 나아가, 이 경우 상기 나노와이어의 성장 방향은 c-축 [00ℓ]에 직각 방향일 수 있다.In addition, the bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanowires, made of a single crystal, may be a thermoelectric material having a hexagonal Bi 2 Te 3 phase of the (205), (110), (0015) direction. . Further, in this case, the growth direction of the nanowire may be a direction perpendicular to the c-axis [00ℓ].

상술한 본 발명에 따른 열전물질은, 다공성 지지체;와 상기 다공성 지지체 내에 형성되는 청구항 1에 의해 제조되는 비스무스텔룰라이드 나노와이어;를 포함하되, 상기 비스무스텔룰라이드 나노와이어는 Te:Bi의 화학적 조성비가 Bi:Te=2:3을 만족하는 열전물질을 포함하는 지지체로 형성할 수 있다.The above-described thermoelectric material according to the present invention includes a porous support; and bismustrilide nanowires prepared by claim 1 formed in the porous support; wherein the bismustrilide nanowires have a chemical composition ratio of Te: Bi It may be formed of a support including a thermoelectric material satisfying Bi: Te = 2: 3.

또한, 이 경우 상기 다공성 지지체는 다공성 알루미나(Al2O3)인 열전물질을 포함할 수 있다.In this case, the porous support may include a thermoelectric material which is porous alumina (Al 2 O 3 ).

본 발명에 따르면, 최적화된 온도 범위에서의 열처리를 통하여 비스무스 텔룰라이드(bismuth telluride) 열전 나노선 구조의 제백 계수(sebeck coefficient)의 개선 및 나노선 구조의 결정 구조 개선을 통해서 전기 전도도의 향상을 기대할 수 있으며, 이를 토대로 최종적으로 나노선 구조로 구성된 열전 모듈의 열전 효율(성능 효율) 향상을 기대할 수 있다.According to the present invention, the electrical conductivity is expected to be improved by improving the sebeck coefficient of the bismuth telluride thermoelectric nanowire structure and the crystal structure of the nanowire structure through heat treatment at an optimized temperature range. Based on this, the thermoelectric efficiency (performance efficiency) of the thermoelectric module finally composed of nanowire structures can be expected.

특히, 열처리 온도 상승으로 인하 텔룰리움 성분의 기화로 인한 손실을 제거하기 위해 완벽하게 밀봉된 밀폐용기(sealing boat)를 이용하여 열처리를 수행함으로서, 비스무스텔룰라이드 물질의 결정성 향상을 더욱 향상시키고 이로 인해 열전효율을 증진시킬 수 있는 효과도 있다.In particular, heat treatment is performed by using a sealed vessel that is completely sealed to remove the loss due to vaporization of the telluride component due to an increase in the heat treatment temperature, thereby further improving and improving the crystallinity of the bismuthulelide material. This also has the effect of improving the thermoelectric efficiency.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 비스무스 텔룰라이드(bismuth telluride) 열전 나노와이어의 열전 효율 향상 방법의 제1 및 제2실시예에 따른 순서도이다.
도 3는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 열처리 공정 시 비스무스 텔룰라이드(bismuth telluride) 나노선 구조의 형상(morphology) 변화에 대한 모식도이다.
도 4과 도 5 및 도 6은 열처리 공정 시, 나노선 내부의 화학 조성비를 보여주는 EDX 그래프이다.
도 7 및 특정 온도에서 열처리 공정을 통해서 측정된 제백 계수(seebeck coefficient) 데이터를 나타낸 EDX 그래프, 도 8은 나노선 구조의 결정성을 보여주는 TEM(Transmission Electron Microscope)이다.
도 9는 각각의 온도에서 열처리 된 나노와이어의 결정성을 SAED를 통해서 분석된 제백 계수(seebeck coefficient)를 보여준 도면이다.
도 10 및 도 11은 도 2의 실험조건에서의 열처리 온도에 따른 비스무스 텔룰라이드 나노와이어의 내부의 화학 조성비를 보여주는 그래프이다.
도 11은 도 2의 실험조건에서의 제2실험예에서 열처리 온도에 따른 비스무스 텔룰라이드의 제백계수 변화를 보여 주는 그래프이다.
도 12는 제2실험예에서 열처리 온도에 따라 비스스무스 텔룰라이드 나노 구제체의 결정성이 단결정으로 향상되고 있는 것을 보여주는 이미지이다.
1 and 2 are flowcharts according to first and second embodiments of a method for improving thermoelectric efficiency of bismuth telluride thermoelectric nanowires according to the present invention.
3 is a schematic diagram of the morphology change of the bismuth telluride nanowire structure during the heat treatment process according to a preferred embodiment of the present invention.
4, 5 and 6 are EDX graphs showing the chemical composition ratio inside the nanowires during the heat treatment process.
7 and an EDX graph showing Seebeck coefficient data measured through a heat treatment process at a specific temperature, and FIG. 8 is a transmission electron microscope (TEM) showing crystallinity of the nanowire structure.
FIG. 9 shows the Seebeck coefficient of the nanowires heat-treated at each temperature, analyzed by SAED.
10 and 11 are graphs showing the chemical composition ratio of the bismuth telluride nanowires according to the heat treatment temperature in the experimental conditions of FIG. 2.
FIG. 11 is a graph showing the change of Seebeck coefficient of bismuth telluride according to the heat treatment temperature in the second experimental example under the experimental conditions of FIG. 2.
12 is an image showing that the crystallinity of the bismuth telluride nanospheres is improved to a single crystal according to the heat treatment temperature in the second experimental example.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the configuration and operation according to the present invention. In the description with reference to the accompanying drawings, the same components are given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and duplicate description thereof will be omitted. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

본 발명은 비스무스 텔룰라이드(bismuth telluride)를 포함하는 열전물질(열전 나노와이어 또는 벌크형 구조물)을 특정 온도에서 열처리함으로써 열전 효율을 향상시킬 수 있는 비스무스 텔룰라이드(bismuth telluride) 열전물질 및 그의 열전 효율 향상 방법을 제공하는 것을 요지로 한다. 이하, 본 발명에서의 열전물질이란, 나노와이어구조, 벌크형구조(Pellet, Ingot), 필름형 구조 등 Bi2Te3 가 포함된 물질을 포괄하는 개념이다.
The present invention provides a bismuth telluride thermoelectric material capable of improving thermoelectric efficiency by heat treating a thermoelectric material (thermoelectric nanowire or bulk structure) including bismuth telluride at a specific temperature, and improving thermoelectric efficiency thereof. The main idea is to provide a method. Hereinafter, the thermoelectric material in the present invention is a concept encompassing a material containing Bi 2 Te 3 , such as a nanowire structure, a bulk structure (Pellet, Ingot), or a film structure.

1. 제1실시예1. First Embodiment

특히, 도 1을 참조하면, 이는 본 발명에 따른 열전물질의 열전효율을 향상하는 공정의 순서도로, 나노와이어구조, 벌크형구조(Pellet, Ingot), 필름형 구조 등 Bi2Te3 가 포함된 열전물질 중 나노와이어를 제1 실시예로 하여 공정을 설명하기로 한다. 본 발명은 다공성 지지체 안에 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 나노와이어를 합성하고, 상기 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 나노와이어를 비활성 분위기에서 열처리하는 것을 포함하여 구성된다. 즉, 본 발명에 따른 열전 나노와이어의 열전 효율 향상 방법은, 우선, 다공성지지체를 형성하는 공정과, 다공성지지체의 내부에 나노와이어 구조를 합성하며, 이후 열처리 공정을 통해서 제백계수를 극대화할 수 있는 공정으로 구현될 수 있다.In particular, referring to Figure 1, which is a flow chart of a process for improving the thermoelectric efficiency of the thermoelectric material according to the present invention, a thermoelectric containing Bi 2 Te 3 , such as nanowire structure, bulk structure (Pellet, Ingot), film type structure, etc. The process will be described using nanowires as a first embodiment of the material. The present invention comprises synthesizing bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanowires in a porous support and heat-treating the bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanowires in an inert atmosphere. That is, the thermoelectric efficiency improvement method of the thermoelectric nanowire according to the present invention, first, the process of forming a porous support, and synthesize the nanowire structure inside the porous support, and then can maximize the Seebeck coefficient through the heat treatment process It can be implemented as a process.

특히, 상술한 공정에서 상기 다공성 지지체는 다공성 알루미나(Al2O3) 템플레이트를 이용할 수 있으며, 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 나노와이어를 합성하는 공정은 비활성 분위기, 즉 헬륨(He),네온(Ne),아르곤(Ar),크립톤(Kr),크세논(Xe),라돈(Rn) 중 선택되는 어느 하나의 기체로 형성되는 비활성 공간에서 진행됨이 바람직하며, 본 일 실시예에서는 아르곤으로 형성되는 비활성 분위기에서 진행되는 것을 일 예로 설명한다.In particular, in the above-described process, the porous support may use a porous alumina (Al 2 O 3 ) template, and the process of synthesizing bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanowires is an inert atmosphere, that is, helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn) is preferably carried out in an inert space formed of any one of the gases, in one embodiment is formed of argon It will be described as an example that proceeds in an inert atmosphere.

또한, 본 발명에서는 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 나노와이어의 합성후에는 열처리를 통해 제백계수를 극대화할 수 있으며, 특히 바람직하게는 열처리 온도를 423?475K의 온도 범위에서 열처리가 수행될 수 있다. 다만, 상기 열처리 온도 범위를 벗어나게 되면 Te 성분이 증발하여 열전 효율이 떨어지는 치명적인 문제가 발생하며, 더욱 구체적으로는 이 온도를 넘어서는 범위에서는 텔룰리움(Te)이 열처리과정에서 기화되어 제백계수가 떨어지게 되며 이는 열전효율의 하락을 가져오게 된다.In addition, in the present invention, after synthesis of bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanowires, the Seebeck coefficient may be maximized through heat treatment, and particularly, the heat treatment temperature may be performed at a temperature range of 423 to 475 K. have. However, if the temperature is out of the heat treatment temperature range, the Te component may evaporate to cause a deadly problem in which the thermoelectric efficiency is lowered. This leads to a drop in thermoelectric efficiency.

도시된 도 2를 참조하면, 다공성 지지체 내부에 나노와이어의 합성 이후, 각각의 온도에 따른 열처리결과를 살펴보면, 열처리 온도가 423K인 나노와이어의 제백 계수는 열처리 전의 나노와이어의 제백 계수보다 약간 증가된 57μV/K를 나타내며, 이후 475K 까지 열처리 온도를 상승시킴에 따라 제백계수는 62μV/K까지 증가하게 된다. 즉 423~475K에서 단결정 나노와이어가 구현되며, 제백계수는 57μV/K~62μV/K로 증가하는 결과를 가져 왔으며, 이후 523K에서는 Tellurium crystallite가 나노선 내부에 형성되어서 Bi4Te5-Te 형상 분리 현상이 발견되었으며, 673K에서는 Tellurium crystallite의 melting 현상 및 Tellurium 성분의 증발로 기존의 stoichiometric composition인 Bi2Te3에서 Bi4Te5 (523K) 중간과정을 거치면서 Bi4Te3로 Bi-rich인 상태로 바뀌게 된다. Referring to FIG. 2, after synthesis of the nanowires in the porous support, the heat treatment results according to the respective temperatures are shown. The Seebeck coefficient of the nanowires having a heat treatment temperature of 423K is slightly increased than the Seebeck coefficient of the nanowires before the heat treatment. 57 μV / K, and as the heat treatment temperature is increased to 475 K, the Seebeck coefficient increases to 62 μV / K. That is, single crystal nanowires are realized at 423 ~ 475K, and the Seebeck coefficient is increased to 57μV / K ~ 62μV / K, and then, at 523K, Tellurium crystallite is formed inside the nanowires to separate Bi 4 Te 5 -Te shape. was phenomenon is found, 673K in the state Bi 4 Te 5 (523K) goes through an intermediate process, Bi 4 Te 3 to the Bi-rich in the conventional stoichiometric composition of Bi 2 Te 3 to the evaporation of the melting phenomenon and Tellurium component of Tellurium crystallite Will change to

이러한 결과로 열처리 온도가 523K로 증가 되었을 때 나노와이어의 제백 계수는 급격하게 19 μV/K으로 감소 되었으며 약 64%가 감소 되었다. 그리고 673K으로 열처리 온도가 다시 증가 되었을 때 제백 계수는 29 μV/K으로 소폭 상승 되었다. 이는 열처리의 온도에 따라서 나노와이어의 형상학적 특성으로 인해서 노출된 표면적이 크며, 이는 텔룰리움(Te) 성분의 기화 현상이 많이 발생하며, 결론적으로 나노와이어의 화학적 조성이 불균일화되면서 제백 계수의 감소로 이어지게 된다. 나아가, 제백 계수는 열전 물질의 전하 농도의 함수로써 최적화되지 못한 조건에서의 열처리로 인하여 제백 계수의 감소로 이어지게 되며, 특히 523K에서 673K로 열처리 온도가 증가 되었을 때 제백 계수의 약간의 상승은 텔룰리움 (Te)성분의 재결정 현상으로 결정성이 다소 향상되면서 제백 계수가 소폭 상승하기는 하나, 이는 열전효율의 증가로 이어지지는 않게 된다.
As a result, when the annealing temperature was increased to 523 K, the Seebeck coefficient of the nanowires rapidly decreased to 19 μV / K and decreased by about 64%. When the annealing temperature was increased again to 673K, the Seebeck coefficient increased slightly to 29 μV / K. The surface area exposed is large due to the morphological properties of the nanowires depending on the temperature of the heat treatment, which causes a lot of vaporization of the tellurium (Te) component. Will lead to Furthermore, the Seebeck coefficient leads to a decrease in Seebeck coefficient due to heat treatment under conditions not optimized as a function of the charge concentration of the thermoelectric material, especially when the annealing temperature is increased from 523K to 673K. Recrystallization of the (Te) component slightly improves the crystallinity, but the Seebeck coefficient increases slightly, but this does not lead to an increase in thermoelectric efficiency.

2. 제2실시예2. Second Embodiment

상술한 제1실시예에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열전 나노와이어의 열전 효율 향상 방법에서는 423?475K의 온도 범위에서 열처리가 수행되며, 이 이상의 온도에서는 열처리과정에서 텔룰리움의 기화가 진행되어 제백계수가 하락하는 것을 상술하였다. 따라서, 본 실시예에서는 특히 이러한 문제를 해소하기 위해 도 2에 제시된 공정을 통해 열전효율의 상승에 대한 온도 한계를 확장할 수 있는 실시예를 구현한다.As described above in the first embodiment, in the thermoelectric efficiency improvement method of the thermoelectric nanowire according to the present invention, heat treatment is performed at a temperature range of 423 to 475 K, and at this temperature, tellurium vaporization proceeds in the heat treatment process. As described above, the Seebeck coefficient falls. Therefore, the present embodiment implements an embodiment that can extend the temperature limit for the increase in thermoelectric efficiency through the process shown in FIG. 2 particularly to solve this problem.

도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 공정은 다공성 지지체 안에 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 나노와이어를 합성하는 제1공정과 상기 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 나노와이어를 외부 대기와 격리되며 비활성가스가 충진된 밀폐용기에 수용하여 열처리를 수행하는 제2공정을 포함하여 구성된다. 특히 상술한 제2공정을 상기 밀폐용기에 텔룰리움 파우더를 충진하여 열처리가 수행되도록 하는 것을 특징으로 한다.As shown in FIG. 3, the process according to the present invention is a first process of synthesizing bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanowires in a porous support and the bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanowires in an external atmosphere. And a second step of carrying out heat treatment by receiving an inert gas-filled hermetically sealed container. In particular, the above-mentioned second process is characterized in that the heat treatment is carried out by filling the tellurium powder in the airtight container.

즉, 제1실시예서 상술한 열처리 방식을 탈피하여 텔룰리움 성분의 기화현상을 방지하기 위하여 비스무스 텔룰라이트 나노와이어의 샘플을 합성하고, 열처리를 하기 전에 상기 나노와이어 샘플을 완벽하게 밀폐가 가능한 구조물(이하, '밀폐용기(sealing boat)'라 한다.)에 수용시키고, 수용후 이 밀폐용기를 알루미나 페이스트를 이용하여 밀봉(sealing)한다. 특히 밀봉전에 텔룰리움 파우더(powder)를 상기 밀폐용기에 충진함이 더욱 바람직하다.That is, in order to avoid the vaporization of the telluride component by removing the heat treatment method described above in the first embodiment, a sample of bismuth tellulite nanowires is synthesized, and the structure capable of completely sealing the nanowire sample before heat treatment ( The container is then sealed in a 'sealing boat', and the sealed container is sealed using an alumina paste after storage. In particular, it is more preferable to fill the hermetic container with tellurium powder before sealing.

아울러, 이러한 열처리 전의 준비과정은 대기와의 접촉을 방지하기 위해 Ar으로 충진된 글로브박스(glove box) 등의 공간에서 수행됨이 더욱 바람직하다.
In addition, the preparation before the heat treatment is more preferably performed in a space such as a glove box filled with Ar to prevent contact with the atmosphere.

3. 실험예 및 비교예3. Experimental Example and Comparative Example

이하에서는 상술한 본 발명에 따른 열처리 공정을 수반하는 열전효율 향상방법에 대한 제백계수의 변동을 실험례를 통해 살펴보기로 한다.Hereinafter, the variation of the Seebeck coefficient for the thermoelectric efficiency improvement method involving the heat treatment process according to the present invention will be described through an experimental example.

(1) 제1실험예(1) Experimental Example 1

본 발명의 바람직한 열처리 온도의 범위는 423~475K의 범위에서 하한값인 423K의 열처리를 수행하고, 이후 523K, 673K의 범위에서의 비교결과를 통해 설명하기로 한다.The preferred heat treatment temperature range of the present invention is to perform a heat treatment of the lower limit of 423K in the range of 423 ~ 475K, and then it will be described through a comparison result in the range of 523K, 673K.

우선, 본 발명의 상기 제1실시예와 관련한 실험예에서는 다공성 알루미나 템플레이트가 40V의 인가전압, 0.3M의 옥살산 조건에서 two-step 양극산화 방식으로 제조되었다. 이후, 연속적으로 비스무스 텔룰라이드 나노와이어가 5㎳ on time, 50㎳의 off time이 인가된 펄스 전기도금 방식으로 다공성 알루미나 템플레이트 안에 합성되었고, 마지막에는 다공성 알루미나 템플레이트의 윗부분을 넘쳐서 비스무스텔룰라이드 막(overgrown film)이 형성되었다. First, in the experimental example related to the first embodiment of the present invention, the porous alumina template was prepared by a two-step anodization method under an applied voltage of 40V and oxalic acid of 0.3M. Subsequently, bismuth telluride nanowires were continuously synthesized in the porous alumina template by a pulse electroplating method with 5 ms on time and 50 ms off time. Finally, the bismuth telluride membrane was overgrown by overflowing the upper portion of the porous alumina template. film) was formed.

특히, 이 경우 합성된 나노와이어의 직경은 50㎚, 길이는 20㎛이다. 다공성 알루미나 템플레이트에 합성된 비스무스 텔룰라이드 나노와이어는 423, 523, 673K의 각각의 온도에서 비활성 분위기에서 4시간 동안 열처리 공정이 이루어졌다. In particular, in this case, the synthesized nanowires have a diameter of 50 nm and a length of 20 μm. The bismuth telluride nanowires synthesized on the porous alumina template were subjected to a heat treatment process for 4 hours in an inert atmosphere at respective temperatures of 423, 523, and 673K.

나노와이어의 결정성은 XRD, HRTEM(High Resolution Transmission Electron Microscopy), SAED(Selected Area Transmission Electron Microscopy)에 의해 분석되어 졌으며, 각각의 온도에서 열처리 된 나노와이어의 화학 조성은 EDX에 의해서 분석되어 졌다. 위의 분석을 위해서 다공성 알루미나 템플레이트의 선택적인 용해를 통해서 TEM 그리드(grid)에 나노와이어만 분산을 시켜서 분석을 가능하게 하였다.The crystallinity of the nanowires was analyzed by XRD, HRTEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy) and SAED (Selected Area Transmission Electron Microscopy), and the chemical composition of the nanowires heat-treated at each temperature was analyzed by EDX. For the above analysis, the selective dissolution of the porous alumina template allowed the nanowires to be dispersed in the TEM grid.

이후, 제백 계수를 측정을 위해서 Au(gold) 층을 마스크를 통해서 증착 후 양단에 구리 블록을 접촉시킨 후 펠티어 소자(peltier element)를 접촉시켜서 양단에 15K의 온도차이를 인가하였다. 이를 통해서 생성된 전위를 측정해서 최종적으로 각각의 온도에서 열처리 된 나노와이어의 제백 계수를 측정할 수 있었다.Subsequently, in order to measure the Seebeck coefficient, after the Au (gold) layer was deposited through a mask, copper blocks were contacted at both ends, and then a Peltier element was contacted to apply a temperature difference of 15K at both ends. Through this measurement, the generated electric potential was finally able to measure the Seebeck coefficient of the nanowires finally heat-treated at the respective temperatures.

이상의 결과를 통해 측정된 나노와이어의 제백계수에 대한 결과는 다음과 같다.The results for the Seebeck coefficient of the nanowires measured through the above results are as follows.

도 4는 열처리에 따른 비스무스 텔룰라이드의 성분변화를 나타낸 것으로, 도시된 그래프를 참조하면 합성된 비스무스 텔룰라이드 나노와이어의 표면에 복합적인 비스무스 산소층과 텔룰리움 산소층이 형성된 것이 확인되었다. 이는 EDX 결과와 같이 산소 성분의 검출이 측정 부위 상단과 하단부분에서만 검출되는 결과로부터 나노와이어 표면 부위에 산화층이 형성되었다는 결과를 도출해 낼 수 있다.Figure 4 shows the change in the composition of the bismuth telluride according to the heat treatment, referring to the graph it was confirmed that the complex bismuth oxygen layer and the tellurium oxygen layer was formed on the surface of the synthesized bismuth telluride nanowires. This can lead to the result that an oxide layer is formed on the surface of the nanowire from the result of detecting the oxygen component only at the upper and lower portions of the measurement region, as in the EDX results.

아울러, 도 5는 각각의 온도에서 열처리 된 나노와이어의 화학적 조성비의 비교를 보여주고 있다. 화학적 조성비는 Te/Bi의 비(ratio)를 나타낸다. 열처리 온도의 증가에 따라서 화학적 조성비는 감소하는 결과를 보여주고 있으며, 이는 열처리 온도 증가에 따라 텔룰리움 성분의 감소 현상을 보여주고 있다. 즉, 이는 특별히 523K에서는 Tellurium crystallite가 나노선 내부에 형성되어서 Bi4Te5-Te 형상 분리 현상이 발생하는데서 기인하며, 또한, 673K에서는 Tellurium crystallite의 melting 현상 및 Tellurium 성분의 증발로 기존의 stoichiometric composition인 Bi2Te3에서 Bi4Te5 (523K) 중간과정을 거치면서 Bi4Te3로 Bi-rich인 상태로 바뀌게 되는 결과에 기인한다.In addition, Figure 5 shows a comparison of the chemical composition ratio of the nanowires heat-treated at each temperature. The chemical composition ratio represents the ratio of Te / Bi. As the heat treatment temperature increases, the chemical composition ratio decreases, which shows a decrease in the tellurium content as the heat treatment temperature increases. This is due to the fact that Tellurium crystallite is formed inside the nanowire at 523K, and Bi 4 Te 5 -Te shape separation phenomenon occurs. Throughout the Bi 4 Te 5 (523K) in the middle course Bi 2 Te 3 it is due to the result that is replaced by the Bi 4 Te 3 in the Bi-rich state.

따라서, 본 발명에서의 비스무스 텔룰라이드에 열처리 결과, 텔룰리움 성분의 높은 증기압 때문에 열처리 과정에서 기화 현상이 일어날 확률이 증가 됨을 확인할 수 있으며, 나아가 나노와이어는 벌크 물질이나 박막과 비교해 보았을 때 표면적이 상대적으로 크기 때문에 이러한 현상은 더욱 커지게 됨을 알 수 있다. 다만, 열처리온도 423K에서는 도시된 것과 같이, Te/Bi의 상호 원자간 몰비가 0.8~1.5를 나타내며 안정적인 상태를 나타내게 되며, 이는 성분변화의 폭도 매우 적어 신뢰성이 확보될 수 있음을 의미한다.Therefore, as a result of heat treatment on bismuth telluride in the present invention, it can be seen that the probability of vaporization phenomenon occurs during the heat treatment process due to the high vapor pressure of the tellurium component, and furthermore, the nanowires have a relative surface area when compared to bulk materials or thin films. It can be seen that this phenomenon becomes larger because of the large size. However, at the heat treatment temperature 423K, as shown, the molar ratio between Te / Bi is 0.8-1.5, indicating a stable state, which means that the width of the component change is very small and reliability can be ensured.

이는, 도 6 및 도 7에서 확인할 수 있듯이, 523K에서 열처리 된 나노와이어에서는 블랙 스폿(black spot)(crystallite)들이 불규칙하게 형성되며, 이는 EDX분석을 통해서 이 부분이 순수하게 텔룰리움(Te) 성분으로 구성되어 진 것을 확인할 수 있었고, 다른 나노와이어 부분에서는 텔룰리움의 성분이 감소 된 현상을 또한 발견할 수 있었다. 하지만, 열처리 온도가 673K으로 증가되어지면 블랙 스폿(black spot)(crystallite)들이 사라지는 현상이 발견되었으나, 이는 열처리 온도의 증가에 따라 블랙 스폿(black spot)의 분해(decomposition) 현상이 발생 되어서 용해되었기 때문이며, 623K에서 열처리 된 나노와이어의 화학적 조성 측면에서 텔룰리움(Te) 성분의 계속적인 감소 현상이 발견되었다.6 and 7, black spots (crystallites) are irregularly formed in the nanowires heat-treated at 523K, and this part is purely a tellurium component through EDX analysis. It was confirmed that the composition was composed of, and in other nanowire parts, a decrease in the content of tellurium was also found. However, when the heat treatment temperature was increased to 673K, black spots (crystallites) disappeared. However, as the heat treatment temperature was increased, black spot decomposition occurred and dissolved. In the chemical composition of the nanowires heat-treated at 623K, a continuous reduction of the tellurium (Te) component was found.

도 8은 상술한 실험에서 423K, 523K, 673K에서의 나노와이어의 결정성을 SAED를 통해서 분석한 결과를 도시한 것이다.8 illustrates the results of analyzing the crystallinity of the nanowires at 423K, 523K, and 673K through the SAED in the above-described experiment.

도시된 도면을 참조하면, 423K, 523K, 673K의 각각의 온도에서 처리된 이미지를 참조하면, 423K에서 열처리 된 나노와이어의 SAED에서는 단결정으로 나노와이어가 이루어져 있으며, 밝은 스폿(spot)들이 보여주듯이 (205), (110), (0015) 방향의 hexagonal Bi2Te3 상(phase)으로 이루어져 있음을 보여주는 증거이다. 덧붙여서 나노와이어의 성장 방향은 c-축 [00ℓ]에 직각 방향으로 이루어졌다는 사실을 또한 보여 주고 있다. Referring to the illustrated figure, referring to images processed at respective temperatures of 423K, 523K, and 673K, in the SAED of the nanowires heat-treated at 423K, nanowires are composed of single crystals, and bright spots are shown ( 205), (110) and (0015) hexagonal Bi 2 Te 3 Evidence shows that it consists of phases. In addition, it also shows that the growth direction of the nanowire was made in a direction perpendicular to the c-axis [00ℓ].

열처리의 온도가 523K인 나노와이어의 결정성은 링(ring) 형태로 보여주고 있으며, 이는 다결정으로 나노와이어가 이루어져 있음을 보여주고 있으며, 각각의 밝은 스폿(spot)의 정보를 통해서 (0011), (0027)의 Bi4Te5 상(phase)과 텔룰리움(Te) 결정성의 복합체로 이루어져 있음을 보여주고 있다. 이는 다결정(polycrystalline)의 나노와이어가 Bi4Te5와 Te으로 구성되어 졌기 때문이다.The crystallinity of the nanowires with the heat treatment temperature of 523K is shown in the form of a ring, which shows that the nanowires are made of polycrystals, and through the information of each bright spot, ( 0027) shows the Bi 4 Te 5 phase and tellurium (Te) crystalline complex. This is because polycrystalline nanowires are composed of Bi 4 Te 5 and Te.

열처리의 온도가 최종적으로 673K에 도달되었을 때 다시 단결정 (single crystalline)으로 나노와이어가 구성되어있는 것이 발견되었으며, 423K에서와 마찬가지로 c-축의 직각 방향으로 성장하였으며, (003), (009), (0021) 방향의 hexagonal Bi4Te3 상(phase)으로 구성되어 있음을 보여주고 있다. When the temperature of the heat treatment finally reached 673K, it was found that the nanowires were composed of single crystalline again, and grew in the direction perpendicular to the c-axis as in 423K, (003), (009), ( 0021) and hexagonal Bi 4 Te 3 phase.

523K에서 623K로 열처리 온도가 증가 되었을 때 다결정에서 단결정으로 변화하는 현상은 텔룰리움(Te) 성분의 재결정(recrystallization) 현상으로 이해될 수 있으며, 순수 텔룰리움의 블랙 스폿(black spot) 기화 현상을 통해서 가장 안정한 상태인 Bi4Te3 상(phase)으로 변화되었다고 결론을 내릴 수 있다. 이는 분자빔 에피탁시(molecular beam epitaxy)로 600K에서 합성된 비스무스 텔룰라이드 박막이 Bi4Te3 상(phase)으로 형성되어 진 결과와 서로 상충 됨을 확인할 수 있다.The change from polycrystal to single crystal when the heat treatment temperature is increased from 523K to 623K can be understood as the recrystallization of the tellurium (Te) component, through the black spot vaporization of pure tellurium. It can be concluded that the transition to the most stable state, Bi 4 Te 3 phase. It can be seen that the bismuth telluride thin film synthesized at 600K by molecular beam epitaxy is in conflict with the result of forming the Bi 4 Te 3 phase.

결과적으로, 523K, 623K온도에서 나타나는 결정성과 성분의 변화는 비스무스 텔룰라이드의 열전효율의 향상을 초래하지 못하는 것으로, 본 발명의 바람직한 열처리 범위는 423K~475K에서 열전효율을 극대화할 수 있게 된다.As a result, the change in crystallinity and components at 523K, 623K temperature does not lead to an improvement in the thermoelectric efficiency of bismuth telluride, the preferred heat treatment range of the present invention can maximize the thermoelectric efficiency at 423K ~ 475K.

특히, 이러한 결과는 도 9에 따른 열처리 온도에 따른 비스무스 텔룰라이드 나노와이어의 제백 계수의 변화에 관한 그래프에서 확인할 수 있다. In particular, these results can be seen in the graph of the change in Seebeck coefficient of the bismuth telluride nanowires according to the heat treatment temperature according to FIG.

도시된 도면을 참조하면, 측정된 제백 계수는 모두 + 값을 보여주고 있으며, 이는 위의 실험조건에서 합성된 비스무스 텔룰라이드 나노와이어가 P-type의 형태임을 보여주는 증거이며, 또한 비스무스 성분의 초과로 인한 정공(hole)이 대다수 (major)의 전하농도임을 보여주고 있다.Referring to the drawings, the measured Seebeck coefficients all show positive values, which is evidence that the bismuth telluride nanowires synthesized under the above experimental conditions are in the form of P-type, and also due to the excess of the bismuth component. The resulting hole is the charge concentration of the majority (major).

이 경우, 열처리 온도가 423K인 나노와이어의 제백 계수는 열처리 전의 나노와이어의 제백 계수보다 약간 증가된 57μV/K로 측정되었으며, 이는 423K에서의 열처리를 통하여 전하 농도의 감소로 인한 효과보다는 결정성의 향상으로 인한 결과이다. 아울러, 이러한 제백계수의 향상결과는 475K에서 62μV/K까지 상승하게 되며, 이는 열전효율의 급격한 상승 효과를 가져오게 됨을 확인할 수 있다.In this case, the Seebeck coefficient of nanowires with a heat treatment temperature of 423 K was measured to be 57 μV / K, slightly higher than the Seebeck coefficient of nanowires before heat treatment, which improved crystallinity rather than the effect of a decrease in charge concentration through heat treatment at 423 K. This is the result. In addition, the improvement of the Seebeck coefficient is increased from 475K to 62μV / K, it can be seen that this leads to a sharp increase in the thermoelectric efficiency.

하지만, 열처리 온도가 523K로 증가 되었을 때 나노와이어의 제백 계수는 급격하게 19 μV/K으로 감소 되었으며 약 64%가 감소 되었다. 그리고 673K으로 열처리 온도가 다시 증가 되었을 때 제백 계수는 29 μV/K으로 소폭 상승 되기는 하나 이는 열처리 전의 결과보다 현격하게 하락된 수치에 해당한다.However, when the annealing temperature was increased to 523K, the nanowire backing coefficient rapidly decreased to 19 μV / K and decreased by about 64%. When the annealing temperature was increased again to 673K, the Seebeck coefficient increased slightly to 29 μV / K, which is a much lower value than before the heat treatment.

종합하면, 열처리 온도의 증가에 따라 텔룰리움(Te) 성분의 높은 증기압으로 기화 현상이 발생하면서 523K에서 순수 텔룰리움(Te)과 Bi4Te5 상(phase)으로 구성되는 결과를 초래하며, 623K의 더 높은 온도에서는 순수 텔룰리움 성분이 분해되면서 재결정 현상으로 인해서 Bi4Te3 상(phase)으로 다시 단결정성분으로 바뀌어지며, 동시에 텔룰리움 성분의 기화 현상으로 기존의 나노와이어의 화학적 조성(Bi2Te3)이 붕괴 되면서 제백 계수의 감소로 이어지게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 비스무스 텔룰라이드(bismuth telluride) 열전 나노와이어의 열전 효율 향상 방법은 423?475K의 온도 범위에서 열처리를 수행하여 제백계수를 극대화하여 구현할 수 있게 된다. 이후 열처리 온도가 상승할 수록 제백 계수의 약간의 상승은 텔룰리움 (Te)성분의 재결정 현상으로 결정성이 다소 향상되면서 제백 계수가 소폭 상승하기는 하나, 이는 열전효율의 증가로 이어지지는 않게 된다.
Taken together, as the heat treatment temperature increases, vaporization occurs due to the high vapor pressure of the tellurium (Te) component, resulting in the formation of pure tellurium (Te) and Bi 4 Te 5 phase from 523K, 623K At higher temperatures, pure tellurium decomposes and recrystallizes into Bi 4 Te 3 phase, and at the same time the vaporization of the tellurium causes the chemical composition of the conventional nanowires (Bi 2). The collapse of Te 3 ) leads to a decrease in Seebeck coefficient. Accordingly, the method for improving the thermoelectric efficiency of the bismuth telluride thermoelectric nanowire according to the present invention may be implemented by maximizing the Seebeck coefficient by performing heat treatment at a temperature range of 423 to 475K. Afterwards, as the heat treatment temperature increases, a slight increase in the Seebeck coefficient is slightly recrystallized due to the recrystallization of the tellurium (Te) component, but the Seebeck coefficient increases slightly, but this does not lead to an increase in the thermoelectric efficiency.

(2) 제2실험예(2) Experimental Example 2

본 제2실험예에서는 제2실시예에서 상술한 바와 같은 열전효율 향상에 대한 제백계수의 증가가 열처리 온도에 의한 한계성을 가지는 것을 극복하기 위한 공정조건을 구현할 수 있도록 한다.In the second experimental example, it is possible to implement the process conditions for overcoming the increase in the Seebeck coefficient for improving the thermoelectric efficiency as described above in the second embodiment having limitations due to the heat treatment temperature.

이를 위해, 기존의 일반적인 열처리 방식을 탈피하여 텔룰리움 성분의 기화(evaporation)현상을 방지하기 위하여 비스무스 텔룰라이드 나노구조체 샘플의 열처리 前 텔룰리움 파우더(powder)를 열처리 밀폐용기(sealing boat)에 첨가하였으며 덧붙여서 알루미나 페이스트(paste)를 이용해서 상술한 샘플(sample)이 포함된 밀폐용기(sealing boat)를 완벽하게 밀봉(sealing)을 하였다. 특히, 이러한 샘플(sample) 준비과정은 대기와의 접촉을 방지하기 위해 Ar으로 충진된 글로브 박스(glove box)에서 수행한다. 열처리의 공정조건은 423K, 473K, 523K, 573K, 623K, 673K의 온도에서 수행되며, 열처리 시간은 질소가 충진된 쿼츠챔버(Quarz chamber)에서 4시간 수행하였다.To this end, in order to prevent evaporation of the telluride component by removing the conventional heat treatment method, pre-heating telelylium powder (powder) was added to the heat-sealing boat before the heat treatment of the bismuth telluride nanostructure sample. In addition, the sealing boat containing the above-mentioned sample was completely sealed using an alumina paste. In particular, this sample preparation process is performed in a glove box filled with Ar to prevent contact with the atmosphere. Process conditions of the heat treatment are carried out at a temperature of 423K, 473K, 523K, 573K, 623K, 673K, heat treatment time was carried out for 4 hours in a quartz chamber filled with nitrogen.

도 10 은 상술한 공정조건에 따른 결과그래프로, Bi 와 Te의 원소의 상호 원자간 몰비를 나타낸 것으로, 도 10의 (a)는 열처리전의 몰비이며, (b)는 623K 열처리 후의 몰비를 도시한 것이다. 이를 비교하면 열처리 온도가 크게 상승하였음에도, 텔룰리움 성분의 양이 열처리 전 후 값에 거의 변화가 없음을 확인할 수 있으며, 이는 텔룰리움 성분의 기화현상이 방지되었기 때문이다.FIG. 10 is a result graph according to the above-described process conditions, and shows the molar ratio between the atoms of Bi and Te, FIG. 10 (a) shows the molar ratio before heat treatment, and (b) shows the molar ratio after 623K heat treatment. will be. Comparing with this, even though the heat treatment temperature is greatly increased, it can be seen that the amount of the tellurium component is almost unchanged before and after the heat treatment, because the vaporization of the tellurium component is prevented.

도 11은 제2실험예에서 열처리 온도에 따른 비스무스 텔룰라이드의 제백계수 변화를 보여 주는 그래프이다.FIG. 11 is a graph showing change in Seebeck coefficient of bismuth telluride according to the heat treatment temperature in Experimental Example 2. FIG.

도시된 그래프를 참조하면, 이는 350도(623K)를 전후로 하여 제백계수가 최대값을 보이는 것을 알 수 있으며, 제1실시예의 온도 범위에서 크게 증가한 열처리 온도에도 제백계수는 증가하며, 특히 573K~673K 구간에서 최대 3배까지 제백계수가 증가함을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 제2실시예의 공정으로 인해 텔룰리움 성분의 기화를 완벽하게 방지함은 물론, 개선된 방식의 열처리 공정을 통하여 비스무스 텔룰라이드 나노구조체의 제백계수(Seebeck coefficient) 값의 개선 및 결정성 향상으로 인해 전기 전도도의 향상도 기대할 수 있으며 최종적으로 열전 효율 (성능 지수) 지수인 ZT 값의 향상으로 이어질 수 있게 된다.Referring to the illustrated graph, it can be seen that the Seebeck coefficient shows the maximum value around 350 degrees (623K), and the Seebeck coefficient increases even at the heat treatment temperature which is greatly increased in the temperature range of the first embodiment, especially 573K to 673K. It can be seen that the Seebeck coefficient increases up to three times in the interval. That is, the process of the second embodiment according to the present invention completely prevents the evaporation of the tellurium component, and improves the Seebeck coefficient value of the bismuth telluride nanostructure through an improved heat treatment process. Improvements in crystallinity can also be expected to improve electrical conductivity, which in turn can lead to improvements in ZT values, the thermoelectric efficiency (performance index) index.

도 12는 제2실험예에서 열처리 온도에 따라 비스스무스 텔룰라이드 나노 구제체의 결정성이 단결정으로 향상되고 있는 것을 보여주는 이미지이다.
12 is an image showing that the crystallinity of the bismuth telluride nanospheres is improved to a single crystal according to the heat treatment temperature in the second experimental example.

(3) 제3실험예(3) Third Experimental Example

본 3실험예에서는 기존의 1, 2 실시예에서 보여준 나노와이어구조와는 달리, 벌크형구조(Pellet, Ingot) 즉, 벌크형 Bi-Te계 물질에서도 본 발명에 따른 열전효율을 향상하는 방법을 적용하는 설명하기로 한다.In the third experimental example, unlike the nanowire structure shown in the first and second exemplary embodiments, the method of improving the thermoelectric efficiency according to the present invention is applied to the bulk structure (Pellet, Ingot), that is, the bulk Bi-Te material. Let's explain.

30g Bi0 .25Sb0 .75Te3의 p-type Bi-Te계 벌크(bulk)형 펠릿(pellet)의 제조 시 실험 조건은 다음과 같다. 본 발명에서는 비스무스(Bismuth), 안티몬(Antimony), 텔룰리움(Tellurium)를 이용하여 Be-Sb-Te 파우더를 합성하는 것을 일예로 설명하기로 한다. 30g Bi 0 .25 Sb 0 .75 Te 3 of p-type Bi-Te-based bulk (bulk) type pellets during manufacture of the experimental conditions (pellet) is as follows. In the present invention, the synthesis of Be-Sb-Te powder using bismuth, antimony, and tellurium will be described as an example.

구체적으로는, 순도 5N (99.999%)의 비스무스(Bismuth), 안티몬(Antimony), 텔룰리움(Tellurium)의 파우더(powder) 20.89, 36.52, 76.56g 각각을 글라스 쿼츠(glass quartz)에 삽입 후 대기와의 접촉을 막기 위해서 토크(torque)로 완벽하게 실링(sealing)을 하였다. 각 구성물(compound)의 중합(alloying)을 위해서 800℃에서 10시간동안 열처리를 한 후 볼-밀링(ball-milling)과 45μm의 시브(sieve)를 통해서 나노입자(nano grain size)의 Bi-Sb-Te 파우더를 얻을 수 있다. Specifically, 20.89, 36.52 and 76.56 g of bismuth, antimony and tellurium powders having a purity of 5N (99.999%) were respectively inserted into glass quartz. In order to prevent the contact of the seal (torque) was completely sealed (sealing). Heat treatment at 800 ° C for 10 hours for the polymerization of each compound followed by ball-milling and 45 μm sieve of Bi-Sb of nano grain size -Te powder can be obtained.

상기 Bi-Sb-Te 파우더를 근간으로 그라파이트 몰드(graphite mold)에 삽입 후 핫프레싱(hot pressing) 방식을 통해서 펠릿(pellet) 형태의 벌크형 샘플을 얻을 수 있다. 핫프레싱(Hot pressing) 실험 조건은 420℃, 200M Pa, 30min 이다.
After the Bi-Sb-Te powder is inserted into a graphite mold, a bulk sample in a pellet form may be obtained by hot pressing. Hot pressing experimental conditions are 420 ° C, 200M Pa, 30min.

합성된 펠릿(pellet) 형태의 벌크형 샘플의 열처리는 제 1, 2 실시예와 동일하게 텔룰리움 파우더(tellurium powder)가 첨가되었으며 알루미나 페이스트로 실링된 밀폐용기(sealing boat)에 삽입 후 질소가 충진된 쿼츠 챔버(Quartz chamber)에서 623K까지 열처리를 하였다. 나노구조체보다는 표면적이 상대적으로 낮기 때문에 제백계수의 증가분은 3배보다는 낮지만 여전히 50%이상 상승됨으로써 최종적으로 열전 효율이 향상된다.The heat treatment of the synthesized pellet-type bulk sample was carried out in the same manner as in the first and second embodiments, in which tellurium powder was added and nitrogen-filled after being inserted into a sealing boat sealed with alumina paste. Heat treatment was performed up to 623K in a quartz chamber. Since the surface area is relatively lower than that of the nanostructure, the increase of the Seebeck coefficient is lower than three times, but still increases by more than 50%, thereby improving thermoelectric efficiency.

상술한 제2실시예 및 제2실험예의 개선된 방법에 따라 제조되는 열전물질은, 본 특허 조건에서 제조된 샘플이 벌크형이나 나노구조체일지라도 벌크형의 경우는 Pellet의 powder를 긁어내서 TEM EDX분석을 통해서 내부 구조 화학 조성비를 알아 낼 수 있다. 즉 도 10에 도시된 것과 같이, Bi와 Te의 atomic percentage가 40%:60%로 일정함을 알 수 있다. 이는 본 특허 조건에서 열처리를 하였기 때문에 stoichiometric composition이 유지됨을 알 수 있다. 이에 제2실시예의 열처리 공정을 통해 구현되는 열전물질은 EDX분석시 Bi:Te=2:3 조성으로 형성됨이 바람직하다.The thermoelectric material manufactured according to the improved method of the above-described second embodiment and the second experimental example, even if the sample prepared under the present patent conditions is bulk or nanostructure, in the case of bulk type scrape powder of Pellet through TEM EDX analysis The internal structural chemical composition ratio can be determined. That is, as shown in FIG. 10, it can be seen that the atomic percentages of Bi and Te are constant at 40%: 60%. It can be seen that the stoichiometric composition is maintained because the heat treatment under the present patent conditions. Accordingly, the thermoelectric material implemented through the heat treatment process of the second embodiment is preferably formed of Bi: Te = 2: 3 composition in the EDX analysis.

본 발명에 따른 열전 효율 향상방법을 적용한 나노구조체의 경우에도 나노와이어, 나노튜브, 나노닷 형태의 TEM EDX분석을 통해서 내부 화학 조성비를 알 수 있으며 마찬가지로 2:3으로 형성되어 있어야만 한다.In the case of the nanostructure to which the thermoelectric efficiency improving method according to the present invention is applied, the internal chemical composition ratio can be known through TEM EDX analysis in the form of nanowires, nanotubes, and nanodots.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.In the foregoing detailed description of the present invention, specific examples have been described. However, various modifications are possible within the scope of the present invention. The technical idea of the present invention should not be limited to the embodiments of the present invention but should be determined by the equivalents of the claims and the claims.

TEM:Transmission Electron Microscope
Seebeck coefficient: 제백계수
TEM: Transmission Electron Microscope
Seebeck coefficient: Seebeck coefficient

Claims (16)

비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3)를 포함하는 열전물질을 합성하는 제1공정;
상기 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 열전물질을 외부 대기와 격리되며 비활성가스가 충진된 밀폐용기에 수용하여 열처리를 수행하는 제2공정;을 포함하되,
상기 밀폐용기에 텔룰리움 파우더를 충진하여 열처리가 수행되는 것을 포함하는 열전물질의 열전 효율 향상 방법.

A first step of synthesizing a thermoelectric material including bismuth telluride (Bi 2 Te 3 );
And a second step of performing a heat treatment by receiving the bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) thermoelectric material from an external atmosphere and receiving a sealed container filled with an inert gas.
Method of improving the thermoelectric efficiency of the thermoelectric material comprising filling the closed container with tellurium powder heat treatment.

청구항 1에 있어서,
상기 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3)를 포함하는 열전물질을 합성하는 것은,
다공성 지지체 안에 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 나노와이어 구조물을 합성하는 공정인 열전물질의 열전 효율 향상 방법.
The method according to claim 1,
Synthesizing a thermoelectric material including the bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ),
A method of improving thermoelectric efficiency of thermoelectric materials, which is a process of synthesizing bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanowire structures in a porous support.
청구항 2에 있어서,
상기 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 나노와이어 구조물을 합성하는 것은,
상기 다공성 알루미나(Al2O3) 지지체에 펄스도금방식을 통해 상기 나노와이어가 합성되는 열전물질의 열전 효율 향상 방법.
The method according to claim 2,
Synthesizing the bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanowire structure,
Method for improving the thermoelectric efficiency of the thermoelectric material in which the nanowires are synthesized by the pulsed plating method on the porous alumina (Al 2 O 3 ) support.
청구항 1에 있어서,
상기 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 열전물질을 합성하는 것은,
비스무스(Bismuth), 텔룰리움(Tellurium) 파우더를 열처리하여 나노사이즈의 Bi-Te계 파우더를 형성하고,
상기 Bi-Te계 파우더를 가공하여 벌크형(bulk type) 구조물로 합성하는 것인 열전물질의 열전 효율 향상 방법.
The method according to claim 1,
Synthesizing the bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) thermoelectric material,
Bismuth and Tellurium powder are heat-treated to form nano-size Bi-Te powder,
Process to improve the thermoelectric efficiency of the thermoelectric material is synthesized by processing the Bi-Te-based powder into a bulk type (bulk type) structure.
청구항 4에 있어서,
상기 Bi-Te계 파우더를 가공하여 벌크형 구조물로 합성하는 것은,
상기 Bi-Te계 파우더를 몰드에 주입하고 핫프레싱을 통해 벌크형 구조물로 구현하는 것인 열전물질의 열전 효율 향상 방법.
The method of claim 4,
By processing the Bi-Te-based powder synthesized into a bulk structure,
Injecting the Bi-Te-based powder into a mold and implementing a bulk structure through hot pressing method of the thermoelectric efficiency of the thermoelectric material.
청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
상기 제2공정의 열처리를 수행하는 것은,
573.15K~673.15K에서 수행되는 열전물질의 열전 효율 향상 방법.
The method according to claim 2 or 4,
Performing the heat treatment of the second process,
How to improve thermoelectric efficiency of thermoelectric materials performed at 573.15K ~ 673.15K.
청구항 6에 있어서,
상기 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 열전물질을 외부 대기와 격리되며 비활성가스가 충진된 밀폐용기에 수용하는 준비과정이 외부 대기와 차단된 공간에서 수행되는 열전물질의 열전 효율 향상 방법.
The method of claim 6,
The bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) is a method of improving the thermoelectric efficiency of the thermoelectric material is isolated from the external atmosphere and the preparation process for receiving the inert gas-filled sealed container is carried out in a space blocked from the external atmosphere.
청구항 7에 있어서,
상기 제2공정의 비활성 가스는,
헬륨(He),네온(Ne),아르곤(Ar),크립톤(Kr),크세논(Xe),라돈(Rn) 중 선택되는 어느 하나의 기체로 형성되는 열전물질의 열전 효율 향상 방법.
The method of claim 7,
Inert gas of the second step,
A method of improving thermoelectric efficiency of a thermoelectric material formed of any one selected from helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), and radon (Rn).
청구항 1에 있어서,
상기 제2공정은,
상기 열전물질을 수용하는 밀폐용기는 알루미나 페이스트를 통해 밀봉(sealing)되는 열전물질의 열전 효율 향상 방법.
The method according to claim 1,
In the second step,
The hermetic container containing the thermoelectric material is a thermoelectric efficiency improvement method of the thermoelectric material sealed (sealing) through the alumina paste.
청구항 9에 있어서,
상기 제2공정이 열처리는 질소가 충진된 쿼츠 챔버(Quartz chamber)에서 수행되는 열전물질의 열전 효율 향상 방법.
The method according to claim 9,
The second step of the heat treatment is a method of improving the thermoelectric efficiency of the thermoelectric material is carried out in a quartz chamber filled with nitrogen (Quartz chamber).
비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3)를 포함하는 열전물질을 외부대기와 격리하여 열처리를 수행하는 청구항 1의 방법을 통해 제조되며,
Te:Bi의 화학적 조성비가 Bi:Te=2:3을 만족하는 열전물질.
A thermoelectric material including bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) is prepared by the method of claim 1 to perform heat treatment by isolating the external atmosphere,
Thermoelectric material whose chemical composition ratio of Te: Bi satisfies Bi: Te = 2: 3.
청구항 11에 있어서,
상기 열전물질은 나노와이어 구조물 또는 벌크형 구조물인 열전물질.
The method of claim 11,
The thermoelectric material is a nanowire structure or a bulk structure.
청구항 11에 있어서,
상기 비스무스 텔룰라이드(Bi2Te3) 나노와이어는,
단결정으로 이루어지며, (205), (110), (0015) 방향의 hexagonal Bi2Te3 상(phase)을 갖는 열전물질.
The method of claim 11,
The bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) nanowires,
A thermoelectric material consisting of a single crystal and having a hexagonal Bi 2 Te 3 phase in the directions (205), (110), and (0015).
청구항 13에 있어서,
상기 나노와이어의 성장 방향은 c-축 [00ℓ]에 직각 방향인 열전 물질.
The method according to claim 13,
The growth direction of the nanowires is a thermoelectric material perpendicular to the c-axis [00ℓ].
다공성 지지체;
상기 다공성 지지체 내에 형성되는 청구항 1에 의해 제조되는 비스무스텔룰라이드 나노와이어;를 포함하되,
상기 비스무스텔룰라이드 나노와이어는 Te:Bi의 화학적 조성비가 Bi:Te=2:3을 만족하는 열전물질을 포함하는 지지체.
Porous support;
Including; bismustelluride nanowires prepared by claim 1 formed in the porous support;
The bismustelluride nanowire includes a thermoelectric material having a chemical composition ratio of Te: Bi that satisfies Bi: Te = 2: 3.
청구항 15에 있어서,
상기 다공성 지지체는 다공성 알루미나(Al2O3)인 열전물질을 포함하는 지지체.
The method according to claim 15,
The porous support is a support comprising a thermoelectric material of porous alumina (Al 2 O 3 ).
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