KR20140084709A - Thermoelectric nanocomposite - Google Patents
Thermoelectric nanocomposite Download PDFInfo
- Publication number
- KR20140084709A KR20140084709A KR1020120154450A KR20120154450A KR20140084709A KR 20140084709 A KR20140084709 A KR 20140084709A KR 1020120154450 A KR1020120154450 A KR 1020120154450A KR 20120154450 A KR20120154450 A KR 20120154450A KR 20140084709 A KR20140084709 A KR 20140084709A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- thermoelectric
- nanocomposite
- nanostructure
- polymer matrix
- dispersed
- Prior art date
Links
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 title claims abstract description 76
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 66
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 47
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 39
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 31
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 claims description 17
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 claims description 15
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 13
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims description 9
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims description 8
- QENGPZGAWFQWCZ-UHFFFAOYSA-N 3-Methylthiophene Chemical compound CC=1C=CSC=1 QENGPZGAWFQWCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 6
- -1 poly (para-phenylene) Polymers 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- 229910002909 Bi-Te Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910020712 Co—Sb Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 claims description 4
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910008310 Si—Ge Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims description 3
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 claims description 3
- 229920000553 poly(phenylenevinylene) Polymers 0.000 claims description 2
- 229920000265 Polyparaphenylene Polymers 0.000 claims 1
- 230000005676 thermoelectric effect Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 28
- 239000010408 film Substances 0.000 description 23
- 230000008569 process Effects 0.000 description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 12
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 10
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 8
- 238000010345 tape casting Methods 0.000 description 8
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 7
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 7
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 7
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 7
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-Butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 5
- 125000005210 alkyl ammonium group Chemical group 0.000 description 5
- 239000002585 base Substances 0.000 description 5
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 5
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- SESFRYSPDFLNCH-UHFFFAOYSA-N benzyl benzoate Chemical compound C=1C=CC=CC=1C(=O)OCC1=CC=CC=C1 SESFRYSPDFLNCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- JHIVVAPYMSGYDF-UHFFFAOYSA-N cyclohexanone Chemical compound O=C1CCCCC1 JHIVVAPYMSGYDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- MHDVGSVTJDSBDK-UHFFFAOYSA-N dibenzyl ether Chemical compound C=1C=CC=CC=1COCC1=CC=CC=C1 MHDVGSVTJDSBDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical group 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M tetramethylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].C[N+](C)(C)C WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 3
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 3
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OMEPJWROJCQMMU-UHFFFAOYSA-N selanylidenebismuth;selenium Chemical compound [Se].[Bi]=[Se].[Bi]=[Se] OMEPJWROJCQMMU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- NJPQAIBZIHNJDO-UHFFFAOYSA-N 1-dodecylpyrrolidin-2-one Chemical compound CCCCCCCCCCCCN1CCCC1=O NJPQAIBZIHNJDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000497 Amalgam Inorganic materials 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910017082 Fe-Si Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910017133 Fe—Si Inorganic materials 0.000 description 2
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MZRVEZGGRBJDDB-UHFFFAOYSA-N N-Butyllithium Chemical compound [Li]CCCC MZRVEZGGRBJDDB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WPPOGHDFAVQKLN-UHFFFAOYSA-N N-Octyl-2-pyrrolidone Chemical compound CCCCCCCCN1CCCC1=O WPPOGHDFAVQKLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WHNWPMSKXPGLAX-UHFFFAOYSA-N N-Vinyl-2-pyrrolidone Chemical compound C=CN1CCCC1=O WHNWPMSKXPGLAX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 2
- 229960002903 benzyl benzoate Drugs 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 229910000428 cobalt oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N cobalt(ii) oxide Chemical compound [Co]=O IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 229960001760 dimethyl sulfoxide Drugs 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 2
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 2
- PZYDAVFRVJXFHS-UHFFFAOYSA-N n-cyclohexyl-2-pyrrolidone Chemical compound O=C1CCCN1C1CCCCC1 PZYDAVFRVJXFHS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UKOVZLWSUZKTRL-UHFFFAOYSA-N naphthalid Chemical compound C1=CC(C(=O)OC2)=C3C2=CC=CC3=C1 UKOVZLWSUZKTRL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920001197 polyacetylene Polymers 0.000 description 2
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 2
- 229920000128 polypyrrole Polymers 0.000 description 2
- 229920000123 polythiophene Polymers 0.000 description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 2
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- VDZOOKBUILJEDG-UHFFFAOYSA-M tetrabutylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC VDZOOKBUILJEDG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 2
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018871 CoO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 229920000106 Liquid crystal polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004977 Liquid-crystal polymers (LCPs) Substances 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKIZCWYLBDKLSU-UHFFFAOYSA-M N,N,N-Trimethylmethanaminium chloride Chemical compound [Cl-].C[N+](C)(C)C OKIZCWYLBDKLSU-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910002665 PbTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005680 Thomson effect Effects 0.000 description 1
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 description 1
- 239000003945 anionic surfactant Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003093 cationic surfactant Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 238000009812 interlayer coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007737 ion beam deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000015110 jellies Nutrition 0.000 description 1
- 239000008274 jelly Substances 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002736 nonionic surfactant Substances 0.000 description 1
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- QEBDLIWRLCPLCY-UHFFFAOYSA-N selanylidenebismuth Chemical class [Bi]=[Se] QEBDLIWRLCPLCY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 235000015424 sodium Nutrition 0.000 description 1
- GCLGEJMYGQKIIW-UHFFFAOYSA-H sodium hexametaphosphate Chemical compound [Na]OP1(=O)OP(=O)(O[Na])OP(=O)(O[Na])OP(=O)(O[Na])OP(=O)(O[Na])OP(=O)(O[Na])O1 GCLGEJMYGQKIIW-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- 235000019982 sodium hexametaphosphate Nutrition 0.000 description 1
- 229920005552 sodium lignosulfonate Polymers 0.000 description 1
- 229910000162 sodium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001488 sodium phosphate Substances 0.000 description 1
- 235000011008 sodium phosphates Nutrition 0.000 description 1
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- BDHFUVZGWQCTTF-UHFFFAOYSA-M sulfonate Chemical compound [O-]S(=O)=O BDHFUVZGWQCTTF-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N tellanylidenelead Chemical compound [Pb]=[Te] OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N telluride(2-) Chemical compound [Te-2] XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004772 tellurides Chemical class 0.000 description 1
- JRMUNVKIHCOMHV-UHFFFAOYSA-M tetrabutylammonium bromide Chemical compound [Br-].CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC JRMUNVKIHCOMHV-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- HWCKGOZZJDHMNC-UHFFFAOYSA-M tetraethylammonium bromide Chemical compound [Br-].CC[N+](CC)(CC)CC HWCKGOZZJDHMNC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- YMBCJWGVCUEGHA-UHFFFAOYSA-M tetraethylammonium chloride Chemical compound [Cl-].CC[N+](CC)(CC)CC YMBCJWGVCUEGHA-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229940073455 tetraethylammonium hydroxide Drugs 0.000 description 1
- LRGJRHZIDJQFCL-UHFFFAOYSA-M tetraethylazanium;hydroxide Chemical compound [OH-].CC[N+](CC)(CC)CC LRGJRHZIDJQFCL-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- DDFYFBUWEBINLX-UHFFFAOYSA-M tetramethylammonium bromide Chemical compound [Br-].C[N+](C)(C)C DDFYFBUWEBINLX-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- BGQMOFGZRJUORO-UHFFFAOYSA-M tetrapropylammonium bromide Chemical compound [Br-].CCC[N+](CCC)(CCC)CCC BGQMOFGZRJUORO-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- LPSKDVINWQNWFE-UHFFFAOYSA-M tetrapropylazanium;hydroxide Chemical compound [OH-].CCC[N+](CCC)(CCC)CCC LPSKDVINWQNWFE-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000001577 tetrasodium phosphonato phosphate Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K trisodium phosphate Chemical compound [Na+].[Na+].[Na+].[O-]P([O-])([O-])=O RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 230000002087 whitening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/01—Manufacture or treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
- H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
- H10N10/852—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising tellurium, selenium or sulfur
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
- H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
- H10N10/853—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising arsenic, antimony or bismuth
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
- H10N10/856—Thermoelectric active materials comprising organic compositions
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 열전 나노컴포지트 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는, 높은 열전 특성 및 전기전도도를 나타내며, 간단한 공정으로 제조되는 열전 나노컴포지트 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a thermoelectric nanocomposite and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a thermoelectric nanocomposite which exhibits high thermoelectric properties and electrical conductivity, and which is produced by a simple process, and a method for producing the same.
열전현상(Thermoelectric effect)은 열과 전기 사이의 가역적이고, 직접적인 에너지 변환을 의미한다. 열전현상은 제백 효과, 펠티어 효과, 톰슨효과로 나눌 수 있다. The thermoelectric effect is a reversible, direct energy conversion between heat and electricity. Thermoelectric effects can be divided into whitening effect, Peltier effect, and Thomson effect.
제베크 효과(Seebeck effect)는 온도 차이가 전기로 직접적으로 변환되는 것으로서, 재료 양단의 온도 차이로부터 기전력이 발생하는 현상이다. 펠티에 효과(Peltier effect)는 다른 종료의 금속 두개를 접합시켜 전류를 흘릴 때 상부 접합(upper junction)에서 열이 발생하고, 하부 접합(lower junction)에서 열이 흡수되는 현상이다. 톰슨 효과는 동일한 금속에서 부분적인 온도차가 있을 때 온도가 바뀌는 부분에서 발열과 흡열이 일어나는 현상이다. The Seebeck effect is a phenomenon in which the temperature difference is directly converted to electricity, and an electromotive force is generated from the temperature difference between the materials. The Peltier effect is a phenomenon in which heat is generated at the upper junction and heat is absorbed at the lower junction when current flows through the junction of the two ends of the metal. The Thompson effect is a phenomenon in which heat and endotherms occur at the temperature changes when there is a partial temperature difference in the same metal.
열전재료의 성능은 ZT=TS2σ/k (T=절대온도, S=열전상수, σ=전기전도도, k=열전도도)의 식으로 나타낼 수 있고, 열전재료의 성능을 향상시키기 위해서는 전기전도도(σ) 및 열전도도(k)를 독립적으로 제어할 수 있다. The performance of the thermoelectric material can be expressed by the following equation: ZT = TS 2 σ / k (T = absolute temperature, S = thermocouple constant, σ = electrical conductivity, k = thermal conductivity) (?) and the thermal conductivity (k) can be independently controlled.
그러나, Wiedemann-Franz 법칙(k=σLT, L=로렌츠 상수)에 의하면, 전기전도도(σ)는 열전도도(k)에 일차적으로 비례하기 때문에, 물리적으로 열전도도(k)가 높은 물질은 전기전도도(σ) 또한 높은 값을 보여 열전성능지수 값을 향상 시키는 데는 한계가 있다. However, according to the Wiedemann-Franz law (k = σLT, L = Lorenz constant), the electrical conductivity (σ) is primarily proportional to the thermal conductivity (k) (σ) also show a high value, which makes it impossible to improve the thermoelectric performance index value.
한편, 1993년 미국 MIT 대학의 Dresslhaus는 열전소재를 양자점 및 초격자구조의 저차원 나노구조로 제조함으로써 열전 성능의 향상을 이룰 수 있다는 것을 이론적으로 제시하였으며(L.D. Hicks and M.S. Dresselhaus, “Effect of Quantum-well structures on the Thermoelectric Figure of Merit”, Physical Review B, Vol.47, 1993, p.12727), 이러한 이론은 최근 나노 기술의 발전과 더불어 열전소재 개발 분야에서 많은 관심을 받고 있다. On the other hand, Dresslhaus of MIT University in the USA theoretically suggested that thermoelectric materials could be made into low-dimensional nanostructures of quantum dots and superlattices to improve thermoelectric performance (LD Hicks and MS Dresselhaus, "Effect of Quantum This theory has attracted much attention in the field of thermoelectric material development with the recent development of nanotechnology. [0003] 2. Description of the Related Art [0004]
즉, 나노 사이즈의 이종 열전소재를 성장 중 주기적으로 수 나노미터의 이종 양자점의 형태로 매트릭스 내에 삽입하는 방식, 또는 수 나노미터 주기의 이종 열전소재를 교차하여 제조하는 초격자구조로 제조함으로써 소재 내에 열전달을 담당하는 포논(phonon)의 산란을 극대화 하여 열전도도를 낮추는 방식으로 ZT값을 크게 할 수 있음이 보고되고 있다.
That is, a nano-sized heterogeneous thermoelectric material is periodically inserted into the matrix in the form of a heteronucleotide of several nanometers or a superlattice structure is formed by crossing a heterogeneous thermoelectric material of several nanometers in a cycle, It is reported that the ZT value can be increased by maximizing the scattering of the phonon for heat transfer and lowering the thermal conductivity.
본 발명의 일 과제는, 높은 열전 특성 및 전기전도도를 나타내는 열전 나노컴포지트를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a thermoelectric nanocomposite exhibiting high thermoelectric properties and electrical conductivity.
본 발명의 다른 일 과제는, 폴리머 매트릭스에 나노구조체를 분산시켜 열전 나노컴포지트 용액을 제조하는 간단한 공정을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a simple process for producing a thermoelectric nanocomposite solution by dispersing a nanostructure in a polymer matrix.
본 발명의 또 다른 일 과제는, 열전 나노컴포지트 용액을 필름 형태로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
Another aspect of the present invention is to provide a method of producing a thermoelectric nanocomposite solution in the form of a film.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트는, 폴리머 매트릭스 내에 나노구조체들이 분산되어 있으며, 상기 나노구조체들 상호 간 접촉에 의해 나노체인이 형성되어 있을 수 있다. 상기 폴리머 매트릭스 내에 분산되어 있는 상기 나노 체인의 평균 길이(L)는, 100nm 이상 50㎛ 이하일 수 있다. In the thermoelectric nanocomposite according to an embodiment of the present invention, nanostructures are dispersed in a polymer matrix, and nanostructures may be formed by contacting the nanostructures. The average length (L) of the nanocrystals dispersed in the polymer matrix may be 100 nm or more and 50 占 퐉 or less.
상기 폴리머 매트릭스는, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜, 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜), 폴리(3-메틸싸이오펜), 폴리(para-페닐렌), 폴리(para-페닐렌비닐렌), 폴리(2,7-카바졸릴렌비닐렌), 이들의 블렌드 및 코폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. The polymer matrix may be selected from the group consisting of polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, poly (3,4-ethylenedioxythiophene), poly (3-methylthiophene) Phenylene vinylene), poly (2,7-carbazolylene vinylene), blends thereof, and copolymers thereof.
상기 나노 구조체는, 나노 파티클(nano particle), 나노 와이어(nano wire), 나노시트(nano sheet) 및 나노 튜브(nano tube)중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. The nanostructure may include at least one of a nano particle, a nano wire, a nano sheet, and a nano tube.
상기 나노 구조체는, 벌크 재료가 분산되어 있는 용액으로부터 생성될 수 있으며, 상기 벌크 재료는, 금속 산화물, Bi-Te계, Pb-Te계, Co-Sb계, Si-Ge계, Fe-Si계 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. The nanostructure may be formed from a solution in which a bulk material is dispersed. The bulk material may be a metal oxide, a Bi-Te system, a Pb-Te system, a Co-Sb system, a Si- ≪ / RTI > and combinations thereof.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 나노컴포지트는, 폴리머 매트릭스 내에 나노구조체들이 분산되어 있으며, 상기 폴리머 매트릭스 내에서 단위 면적당 나노 구조체가 차지하는 면적 비율은 10% 이상 70% 이하일 수 있다.
In addition, in the thermoelectric nanocomposite according to another embodiment of the present invention, the nanostructures are dispersed in the polymer matrix, and the area ratio of the nanostructure per unit area in the polymer matrix may be 10% or more and 70% or less.
본 발명에 의하면, 높은 열전 특성을 갖음과 동시에 높은 전기전도성을 갖는열전 나노컴포지트를 형성할 수 있다. According to the present invention, thermoelectric nanocomposite having high thermoelectric properties and high electrical conductivity can be formed.
또한, 본 발명에 의하면, 간단한 공정에 의해 열전 나노컴포지트를 제조할 수 있다. Further, according to the present invention, a thermoelectric nanocomposite can be produced by a simple process.
또한, 본 발명에 의하면, 열전 나노컴포지트를 필름 형태로 제조할 수 있고, 필름 형태로 제조하는 과정에서 열전 특성 및 전기전도도를 향상시킬 수 있다.
Also, according to the present invention, the thermoelectric nanocomposite can be produced in the form of a film, and the thermoelectric property and the electric conductivity can be improved in the process of producing the film.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트의 제조 방법을 공정 순서대로 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 5는, 폴리머 매트릭스에 나노구조체가 분산되어 있는 모폴로지(morphology) 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 종래 기술에 의한 테이프 캐스팅 공법에 관한 개략도 이다.
도 7 및 도 8는 테이프 캐스팅 공정에 의해 제조된 열전 나노컴포지트 필름의 모폴로지 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트를 활용한 열전 소자의 정면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트를 활용한 열전 소자의 평면도이다.FIG. 1 is a view for explaining a method of manufacturing a thermoelectric nanocomposite according to an embodiment of the present invention in order of process.
FIGS. 2 to 5 are diagrams for explaining a morphology structure in which a nanostructure is dispersed in a polymer matrix. FIG.
6 is a schematic view of a conventional tape casting method.
FIGS. 7 and 8 are schematic views showing a morphology structure of a thermoelectric nanocomposite film produced by a tape casting process.
FIG. 9 is a front view of a thermoelectric device utilizing thermoelectric nanocomposite according to an embodiment of the present invention.
10 is a plan view of a thermoelectric device utilizing thermoelectric nanocomposite according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명을 용이하게 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에서 사용되는 용어에 의해 한정되지 아니한다.The terms used in the present specification are used to easily explain the present invention. Accordingly, the invention is not limited by the terms used herein.
한편, 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 아니하고 수정 또는 변형될 수 있다. 이때, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 아니하는 수정 또는 변형은, 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 아니하는 수정예 또는 변형예를 포함한다. 또한 본 발명은 후술할 실시예에 의해 한정되지 아니한다.On the contrary, the invention can be modified or modified without departing from the spirit and scope of the invention. Modifications or variations that do not depart from the spirit and scope of the present invention will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, the invention includes modifications or variations that do not depart from the spirit and scope of the invention. The present invention is not limited to the following embodiments.
이하에서는 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 여기서, 도면은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것이므로, 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 한편, 동일한 구성요소에 대해서는 도면상 동일한 도면부호가 사용되고, 중복된 설명은 생략될 수 있다.
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. On the other hand, the same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings, and redundant explanations can be omitted.
아울러, 본 명세서에서 '나노 구조체(nano structure)'란, 매트릭스 내에 분산된 형태로 존재하는 0차원의 점 구조(예를 들어, 나노 파티클(nano particle), 1차원의 선 구조(예를 들어, 나노 와이어(nano wire)), 2차원의 면 구조(예를 들어, 나노 시트(nano sheet),), 또는 3차원의 공간 구조(예를 들어, 나노 튜브(nano tube)을 지칭하기 위한 용어이다. The term 'nano structure' as used herein refers to a structure having a zero-dimensional point structure (for example, a nano particle, a one-dimensional linear structure (for example, (E.g., nanowire), a two dimensional planar structure (e.g., a nano sheet), or a three dimensional spatial structure (e.g., a nanotube) .
본 명세서에서 '나노 체인(nano chain)'이란, 나노 구조체 상호간 서로 물리적으로 접촉함으로써 형성되는 집합체를 지칭하기 위한 용어이다. 예를 들어, 나노 체인은 하나의 나노 와이어와 나노 튜브가 서로 접촉하여 형성된 구조물 일 수 있다. 다른 예를 들어, 나노 체인은 두 개의 나노 시트와 그들 사이에 개재된 하나의 나노 파티클에 의하여 형성된 구조물 일 수 있다.
As used herein, the term " nano chain " refers to an aggregate formed by physically contacting the nanostructures with each other. For example, a nanocycle may be a structure in which one nanowire and a nanotube are in contact with each other. In another example, a nanostructure may be a structure formed by two nanosheets and one nanoparticle interposed therebetween.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트에 관하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the thermoelectric nanocomposite according to one embodiment of the present invention will be described in detail.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트는, 폴리머 매트릭스(polymer matrix)에 나노 구조체가 분산되어 있는 컴포지트로서, 용액 또는 고체 상태의 컴포지트를 모두 의미할 수 있다. The thermoelectric nanocomposite according to one embodiment of the present invention is a composite in which a nanostructure is dispersed in a polymer matrix, and may be a solution or a composite in a solid state.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트의 열전 특성 향상의 매커니즘은, 열전 특성을 향상시키기 위하여 나노 구조체를 사용하고, 아울러, 열전 나노컴포지트 전체의 높은 전기 전도도 및 낮은 열전도도를 구현하기 위하여 폴리머 매트릭스를 사용한다.In addition, the mechanism for improving thermoelectric properties of thermoelectric nanocomposite according to an embodiment of the present invention uses a nanostructure to improve the thermoelectric property, and also realizes high electrical conductivity and low thermal conductivity of the thermoelectric nanocomposite as a whole A polymer matrix is used.
상기 폴리머 매트릭스는, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜, 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜), 폴리(3-메틸싸이오펜), 폴리(para-페닐렌), 폴리(para-페닐렌비닐렌), 폴리(2,7-카바졸릴렌비닐렌) 및 이들의 블렌드(blend) 및 코폴리머(co-polymer)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 폴리머를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기전도도가 높은 폴리머 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜)과 열전도도가 낮은 폴리머 폴리(para-페닐렌비닐렌)이 블렌드 될 수 있다. 다만, 상기 폴리머 매트릭스가 이들 물질로 한정되는 것은 아니다.The polymer matrix may be selected from the group consisting of polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, poly (3,4-ethylenedioxythiophene), poly (3-methylthiophene) And at least one polymer selected from the group consisting of poly (2,7-carbazolylene vinylene) and blends thereof and co-polymers thereof. For example, a polymer poly (3,4-ethylenedioxythiophene) having high electrical conductivity and a polymer poly (para-phenylenevinylene) having low thermal conductivity may be blended. However, the polymer matrix is not limited to these materials.
상기 나노구조체는 나노파티클, 나노와이어, 나노시트, 나노튜브 중 적어도 하나일 수 있으며, 상기 열전 나노컴포지트에는 적어도 1종류 이상의 나노구조체가 분산되어 있을 수 있다. The nanostructure may be at least one of a nanoparticle, a nanowire, a nanosheet, and a nanotube, and the thermoelectric nanocomposite may have at least one or more nanostructures dispersed therein.
상기 나노구조체는 벌크 재료가 분산되어 있는 용액으로부터 생성될 수 있으며, 구체적인 생성 방법에 대해서는 관련된 부분에서 후술하기로 한다.The nanostructure can be produced from a solution in which a bulk material is dispersed, and a specific production method will be described later in the related section.
한편, 상기 열전 나노컴포지트 용액은, 폴리머 매트릭스에 대한 나노구조체의 분산성을 향상 시키기 위하여 유기용매를 더 포함할 수 있다. Meanwhile, the thermoelectric nanocomposite solution may further include an organic solvent to improve the dispersibility of the nanostructure to the polymer matrix.
상기 유기용매는, 에탄올(ethanol), 톨루엔(toluene), 메틸에틸케톤(methylethylketone), 디메틸프롬아마인드(dimethylformaminde), 시클로헥실피롤리딘(cyclohexyl-pyrrolidinone), N-도데피롤리돈(N-Dodecyl-pyrrolidone), 벤질 벤조에이트(Benzyl benzoate), 아이소프로판올(isopropanol), N-옥틸피롤리돈(N-octyl-pyrrolidone), N-비닐피롤리돈(N-vinyl-pyrrolidinone), 벤질에테르(Benzyl ether), 사이클로헥사논(cyclohexanone), 다이미사일설팍사이드(dimethylsulphoxide), N-메틸 피롤리돈(N-methyl pyrrolidinone), 아세톤(acetone), 이소프로필알코올(isopropyl alcohol) 및 이들의 조합물로 이루어지는 군 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 그러나, 상기 유기용매가 이들 물질로 한정되는 것은 아니다. The organic solvent may be at least one selected from the group consisting of ethanol, toluene, methylethylketone, dimethylformamide, cyclohexyl-pyrrolidinone, N- Dodecyl-pyrrolidone, benzyl benzoate, isopropanol, N-octyl-pyrrolidone, N-vinyl-pyrrolidinone, benzyl ether Benzyl ether, cyclohexanone, dimethylsulphoxide, N-methyl pyrrolidinone, acetone, isopropyl alcohol, and combinations thereof. And the like. However, the organic solvent is not limited to these materials.
한편, 폴리머 매트릭스에 나노 구조체가 분산되어 있는 경우에는, 상기 열전 나노컴포지트에 포함되어 있는 상기 폴리머 매트릭스에 대한 나노 구조체의 조성비는 1 wt% 이상 95 wt% 이하 일 수 있다. 더욱 바람직하게는 1 wt% 이상 30 wt% 이하일 수 있다. On the other hand, when the nanostructure is dispersed in the polymer matrix, the composition ratio of the nanostructure to the polymer matrix contained in the thermoelectric nanocomposite may be 1 wt% or more and 95 wt% or less. More preferably 1 wt% or more and 30 wt% or less.
이 때, 상기 열전 나노컴포지트의 전기전도도는 바람직하게는 0.1 S/cm 이상 5000 S/cm 이하일 수 있다. At this time, the electrical conductivity of the thermoelectric nanocomposite may be preferably 0.1 S / cm or more and 5000 S / cm or less.
또한, 상기 열전 나노컴포지트의 열전도도는 바람직하게는 0.05 이상 0.5 W/mK 이하일 수 있다. In addition, the thermal conductivity of the thermoelectric nanocomposite may preferably be 0.05 or more and 0.5 W / mK or less.
또한, 상기 열전 나노컴포지트의 열전 성능 지수(ZT)의 값은 적어도 0.1 보다 클 수 있다. In addition, the value of thermoelectric performance index (ZT) of the thermoelectric nanocomposite may be at least 0.1.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노 컴포지트에 의하면, 높은 열전효과를 나타내면서 전기전도도 또한 높은 열전 나노컴포지트를 생성하는 것이 가능할 수 있다.
That is, according to the thermoelectric nanocomposite according to one embodiment of the present invention, it is possible to produce a thermoelectric nanocomposite having a high thermoelectric effect and a high electrical conductivity.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트의 제조 방법에 관하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing a thermoelectric nanocomposite according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트의 제조 방법을 공정 순서대로 설명하기 위한 도면이다. FIG. 1 is a view for explaining a method of manufacturing a thermoelectric nanocomposite according to an embodiment of the present invention in order of process.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트의 제조 방법은, i) 폴리머 매트릭스를 제공하는 단계(S10), ii) 상기 폴리머 매트릭스에 벌크 재료를 분산시킨 용액을 제조하는 단계(S12), iii) 상기 벌크 재료가 분산된 용액으로부터 나노구조체를 생성하는 단계(S14)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, a method of manufacturing a thermoelectric nanocomposite according to an embodiment of the present invention includes the steps of (i) providing a polymer matrix (S10), (ii) preparing a solution in which a bulk material is dispersed in the polymer matrix (S12), and iii) a step (S14) of producing a nanostructure from the solution in which the bulk material is dispersed.
먼저, 전술한 바와 같은 폴리머 매트릭스를 제공한다(S10). First, a polymer matrix as described above is provided (S10).
다음으로, 상기 폴리머 매트릭스에 열전 특성이 있는 벌크 재료 분산시킨다(S12). Next, a bulk material having a thermoelectric property is dispersed in the polymer matrix (S12).
상기 열전 특성이 있는 벌크 재료는, 바람직하게는 금속 산화물(metal oxide), Bi-Te계, Pb-Te계, Co-Sb계, Si-Ge계 또는 Fe-Si계 물질로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. The thermally conductive bulk material is preferably selected from the group consisting of a metal oxide, Bi-Te, Pb-Te, Co-Sb, Si-Ge or Fe-Si It can be more than one.
상기 금속 산화물은, Co, Ni, Cu, Ru, Ir, Pt, Ti 등 금속 원소로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와 적어도 산소 원소를 포함하는 화합물이다. 예를 들어, 바람직하게는, Ca3Co4O9, NaxCoO2, SrTiO3, Zn4Sb3중에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. The metal oxide is a compound containing at least one element selected from metal elements such as Co, Ni, Cu, Ru, Ir, Pt, and Ti and at least an oxygen element. For example, it may preferably be at least one selected from Ca 3 CO 4 O 9 , NaxCoO 2 , SrTiO 3 and Zn 4 Sb 3 .
상기 Bi-Te계는 Bi, Sb, Te 및 Se 중 2종 이상의 원소를 포함하는 물질일 수 있고, 상기 Pb-Te계는 Pb와 Te를 모두 포함하고 다른 원소를 포함하는 물질일 수 있다. 또한, 상기 Co-Sb계는 Co와 Fe 중 하나의 원소와 Sb를 포함하는 물질일 수 있고, 상기 Si-Ge계는 Si와 Ge를 모두 포함하는 물질일 수 있으며, 상기 Fe-Si계는 Fe와 Si를 모두 포함하는 물질일 수 있다. 예를 들어, 바람직하게는, Bi2Te3, BiSbTe, PbTe, Si1-xGex 중에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 그러나, 상기 열전 특성이 있는 벌크 재료가 이들 물질로 한정되는 것은 아니다. The Bi-Te system may be a material containing at least two elements of Bi, Sb, Te and Se, and the Pb-Te system may be a material including both Pb and Te and including other elements. Further, the Co-Sb system may be a material containing one element of Co and Fe and Sb, and the Si-Ge system may be a material including both Si and Ge, and the Fe-Si system may be Fe And Si. For example, it may preferably be at least one selected from Bi 2 Te 3 , BiSbTe, PbTe, and Si 1-x Ge x . However, the thermoelectric bulk material is not limited to these materials.
또한, 상기 열전 특성이 있는 벌크 재료는 n-형, p-형의 열전 소재일 수 있고, n-형 열전소재로는 Bi2Te3를 들 수 있고, p-형 열전소재로는 BiSbTe 를 들 수 있다. The bulk material having the thermoelectric property may be an n-type or p-type thermoelectric material. Examples of the n-type thermoelectric material include Bi 2 Te 3 , and the p-type thermoelectric material includes BiSbTe. .
한편, 상기 폴리머 매트릭스에 열전 특성이 있는 벌크 재료를 분산시키는 방법은 기존에 알려진 방법들을 사용할 수 있다. Meanwhile, conventionally known methods can be used as a method of dispersing the thermally conductive bulk material in the polymer matrix.
예를 들어, 볼-밀링 법을 사용하여 분산시킬 수 있다. 상기 볼-밀링 법은 전도성 폴리머와 벌크 분말 재료를 용매에 혼합한 후, 지르코니아 볼과 같은 메디아와 함께 날젠 병과 같은 통에 넣고 회전시켜 밀링하는 방법이다. For example, it can be dispersed using a ball-milling method. The ball-milling method is a method of mixing a conductive polymer and a bulk powder material in a solvent, and then milling the mixture in a container such as a jelly bottle together with a medium such as a zirconia ball.
또한, 상기 폴리머 매트릭스에 대한 상기 벌크 재료의 분산성을 향상시키기 위하여 분산제(dispersing agent) 또는 계면활성제(Surfactant)를 첨가할 수 있다. 예를 들어, 상기 분산제 또는 계면활성제로는, 음이온 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 양이온 계면활성제, 양성 계면활성제, 실리콘 계면활성제, 플루오르 계면활성제, 중합 계면활성제 등이 포함될 수 있다. 바람직하게는, 상기 분산제는 나트륨 헥사메타인산염(sodium hexametaphosphate), 소듐 리그노술포네이드(sodium lignosulphonate), 황산나트륨(sodium sulfate), 인산나트륨(sodium phosphate), 설폰산 나트륨(sodium sulfonate) 중에서 선택되는 적어도 하나 일 수 있다. 또한, 바람직하게는, 상기 계면활성제는 음이온, 비이온 그리고 플루오르계를 수반하는 DuPont? Zonyl 시리즈를 포함할 수 있다. 다만, 상기 분산제 또는 계면활성제가 이들 물질로 한정되는 것은 아니다.
In order to improve the dispersibility of the bulk material to the polymer matrix, a dispersing agent or a surfactant may be added. For example, the dispersant or the surfactant may include an anionic surfactant, a nonionic surfactant, a cationic surfactant, a positive surfactant, a silicon surfactant, a fluorine surfactant, a polymerization surfactant, and the like. Preferably, the dispersing agent is at least one selected from the group consisting of sodium hexametaphosphate, sodium lignosulphonate, sodium sulfate, sodium phosphate, and sodium sulfonate. It can be one. Also preferably, the surfactant is selected from the group consisting of anionic, nonionic and fluorine-containing DuPont? Zonyl series can be included. However, the dispersant or the surfactant is not limited to these materials.
이어서, 상기 벌크 재료가 분산된 용액(이하, '화합물' 이라 한다)으로부터 나노구조체를 생성한다(S14). Next, a nanostructure is formed from a solution in which the bulk material is dispersed (hereinafter referred to as a 'compound') (S14).
여기서, 상기 나노구조체를 생성하는 방법은 다양할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노구조체가 나노시트인 경우, 상기 화합물로부터 상기 나노시트를 박리(exfoliating)할 수 있다. 이하에서는, 상기 나노구조체가 나노시트인 경우를 예로 들어 설명한다. Here, the method of producing the nanostructure may be various. For example, when the nanostructure is a nanosheet, the nanosheet may be exfoliated from the compound. Hereinafter, the case where the nanostructure is a nanosheet will be described as an example.
예를 들어, 상기 화합물을 산으로 처리하여 이온교환 하는 단계 및 상기 이온교환된 금속 산화물을 알킬암모늄 또는 아민화합물과 반응시켜 산 처리된 반응물의 박리화를 수행하여 나노시트를 제조할 수 있다. For example, the nanosheets can be prepared by treating the compound with an acid to effect ion exchange, and reacting the ion-exchanged metal oxide with an alkylammonium or amine compound to exfoliate the acid-treated reaction product.
구체적으로, 화학식 [AxCoO2](A: 알칼리 금속, 0.3≤x≤1)로 표시되는 코발트 산화물, 예컨대, Ca3Co4O9, NaxCoO2을 산으로 처리하여 상기 알칼리 금속의 일부 또는 전부를 양성자(H+)로 이온교환할 수 있다. Specifically, the formula [AxCoO2]: cobalt oxide represented by the above formula (A alkali metal, 0.3≤x≤1), for example, Ca 3 Co 4 O 9, NaxCoO 2 by treatment with a proton acid at least a portion of the alkali metal (H < + >).
상기 이온교환에 사용되는 산은 이온교환에 충분한 정도의 세기이면 되고, 바람직하게는 HCl, HNO3 및 H2So4으로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. The acid used for the ion exchange may have a strength sufficient for ion exchange, and preferably at least one selected from the group consisting of HCl, HNO 3, and H 2 So 4 .
또한, 상기 이온교환 반응은 산의 존재 하에 6시간 이상 수행할 수 있고, 2일 이상 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 이온교환 반응 후 상기 이온교환된 코발트 산화물은 Aj-kHkCoO2 yH2O (0≤j≤x, 0≤k≤j, 0≤y≤10)일 수 있다. In addition, the ion exchange reaction may be carried out in the presence of an acid for 6 hours or more, and preferably for 2 days or more. After the ion exchange reaction, the ion exchanged cobalt oxide may be A jk H k CoO 2 y H 2 O (0? J? X, 0? K? J, 0? Y?
다음으로, 상기 이온교환된 금속 산화물을 알킬암모늄 또는 아민화합물과 반응시킬 수 있다. 여기서, 상기 알킬암모늄은 층간에 삽입될 수 있고, 층간 양이온과 이온교환 가능하며, 층간 결합력을 약하게 하여 한 층씩 분리 가능하도록 충분한 분자 크기를 갖는 것이면 사용 가능하다. 예를 들어, 상기 알킬암모늄은 바람직하게는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드(Tetrabutylammonium bydroxide), 테트라프로필암모늄 하이드록사이드(Tetrapropylammonium hydroxide), 테트라에틸암모늄 하이드록사이드(Tetraethylammonium hydroxide), 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(Tetramethylammonium hydroxide), 테트라부틸암모늄 브로마이드(Tetrabutylammonium bromide), 테트라프로필암모늄 브로마이드(Tetrapropylammonium bromide), 테트라에틸암모늄 브로마이드(Tetraethylammonium bromide), 테트라메틸암모늄 브로마이드(Tetramethylammonium bromide), 테트라부틸암모늄 클로라이드(Tetrabuthlammonium chloride), 테트라프로필암모늄 클로라이드(Tetrapropylammonium chloride), 테트라에틸암모늄 클로라이드(Tetraethylammonium chloride) 및 테트라메틸암모늄 클로라이드(Tetramethylammonium chloride)로 이우어진 군으로부터 선택된 12hd 이상일 수 있다. 그러나, 상기 알킬암모늄이 이들 물질로 한정되는 것은 아니다. Next, the ion-exchanged metal oxide may be reacted with an alkylammonium or amine compound. Here, the alkylammonium may be intercalated between layers, ion exchangeable with interlayer cations, and having a sufficient molecular size so as to weaken the interlayer coupling force so that one layer can be separated. For example, the alkylammonium is preferably selected from the group consisting of tetrabutylammonium hydroxide, tetrapropylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, tetramethylammonium hydroxide, But are not limited to, Tetramethylammonium hydroxide, Tetrabutylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetramethylammonium bromide, Tetrabuthlammonium chloride, (12hd) selected from the group consisting of Tetrapethylammonium chloride, Tetraethylammonium chloride and Tetramethylammonium chloride, Or more. However, the alkylammonium is not limited to these materials.
다른 예를 들어, 상기 화합물의 층간에 이온을 삽입(intercalating)하여 박리(exfoliating)한 후, 초음파를 처리하여 나노구조체가 분산된 용액을 생성할 수 있다. In another example, ions may be intercalated and exfoliated between the layers of the compound, followed by treatment with ultrasonic waves to produce a solution in which the nanostructure is dispersed.
상기 화합물은, 바람직하게는, 비스무스 셀레나이드/텔루라이드(bismuth selenides/tellurides)와 같은 전이금속 칼코게나이드 화합물(transition metal dichalcogenides compounds) 일 수 있다.The compounds may preferably be transition metal dichalcogenides compounds such as bismuth selenides / tellurides.
상기 화합물의 층간 삽입되는 이온은, 알칼리 금속류(예를 들어, Li, Na, K, Rb, Cs), 알칼리 토금속류(예를 들어, Mg, Ca, Sr, Ba), Eu, Yb 또는 Ti 중 적어도 하나 일 수 있다. The intercalating ions of the compound are selected from the group consisting of alkali metals (for example, Li, Na, K, Rb and Cs), alkaline earth metals (for example, Mg, Ca, Sr and Ba) At least one.
상기 층간 삽입은, 전기화학적 방법, 액체성 암모니아(ammonia) 용액에 용해, 열(heat), 탄화수소(hydrocarbon) 용매에서 n-부틸리튬(n-butyl lithium)의 사용, 에테르(ether)에서 알칼리성 나프탈리드(naphthalide)의 사용, 또는 아말감(amalgam)에 의해 수행될 수 있다. The intercalation may be performed by an electrochemical method, dissolving in a liquid ammonia solution, heat, the use of n-butyl lithium in a hydrocarbon solvent, the use of an alkaline naphtha in an ether, The use of naphthalide, or the amalgam.
상기 초음파 처리는 상온에서 10 W 이상 500 W 이하의 에너지로, 10 분 이상 6시간 동안 수행될 수 있고, 상온에서 500 W의 에너지로 6시간 동안 초음파를 조사하는 것이 더욱 바람직할 수 있다. The ultrasonic treatment may be performed at an ambient temperature of 10 W or more and 500 W or less for 10 minutes to 6 hours, and it may be more preferable to irradiate ultrasound for 6 hours at an energy of 500 W at room temperature.
예컨대, Bi2Se3 벌크 재료가 분산된 용액에 반 데르 발스 힘 내에서 Se-Bi-Se-Bi-Se로 구성된 원자 다섯 개 두께의 시트 사이에 리튬 이온을 삽입할 수 있다. 상기 삽입 공정은, 그것의 n형의 유도체 (부분적으로 Te로 대체된 Se) 또는 그것의 p-형의 유도체 (Sb가 부분적으로 Bi를 대체) 함께, 비스무트 셀레나이드 (Bi2Se3) 그리고/또는 텔루라이드 (Bi2Te3)는 전기화학적 방법 또는 액체성 암모니아, 열, 탄화수소 용매 (적절하게는 헥산)에서 엔 부틸 리듐, 에테르에서 알칼리성 나프탈리드 또는 아말감에 의해 수행될 수 있다. 바람직하게는, 비스무트 셀레나이드(Bi2Se3) 는 - 밤새 45'C 조건 하에서, 액체성 암모니아 용액에 용해하여 Li을 삽입하고, 500 W, 6시간 동안 초음파 처리함으로써, 박리된 나노구조체가 분산된 열전 나노컴포지트 용액을 제조할 수 있다. 이렇게 형성된 나노 구조체는 두께 4nm, 직경 200nm, 길이 1㎛의 형태를 나타낼 수 있다.For example, lithium ions can be inserted into a solution of a Bi 2 Se 3 bulk material dispersed in a sheet of five thicknesses of atoms composed of Se-Bi-Se-Bi-Se in van der Waals force. Said inserting step is carried out in the presence of bismuth selenide (Bi 2 Se 3 ) and / or bismuth selenide together with its n-type derivative (Se partially replaced with Te) or a p-type derivative thereof (Sb partially substitutes Bi) Or telluride (Bi 2 Te 3 ) can be carried out by electrochemical methods or by enantiomerically in liquid ammonia, heat, hydrocarbon solvents (suitably hexane), enantiomeric naphthalide in ether, or amalgam. Preferably, bismuth selenide (Bi 2 Se 3 ) is dissolved in a liquid ammoniacal solution under the condition of -45 ° C overnight, and Li is inserted and subjected to ultrasonic treatment at 500 W for 6 hours, whereby the peeled nanostructure is dispersed Thermoelectric nanocomposite solution can be prepared. The nanostructure thus formed may have a thickness of 4 nm, a diameter of 200 nm, and a length of 1 μm.
또한, 상기 초음파 처리의 전 및/또는 후에 유기용매를 더 첨가할 수 있다. 상기 유기용매는, 에탄올(ethanol), 톨루엔(toluene), 메틸에틸케톤(methylethylketone), 디메틸프롬아마인드(dimethylformaminde), 시클로헥실피롤리딘(cyclohexyl-pyrrolidinone), N-도데피롤리돈(N-Dodecyl-pyrrolidone), 벤질 벤조에이트(Benzyl benzoate), 아이소프로판올(isopropanol), N-옥틸피롤리돈(N-octyl-pyrrolidone), N-비닐피롤리돈(N-vinyl-pyrrolidinone), 벤질에테르(Benzyl ether), 사이클로헥사논(cyclohexanone), 다이미사일설팍사이드(dimethylsulphoxide), N-메틸 피롤리돈(N-methyl pyrrolidinone), 아세톤(acetone), 이소프로필알코올(isopropyl alcohol) 및 이들의 조합물로 이루어지는 군 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 그러나, 상기 유기용매가 이들 물질로 한정되는 것은 아니다. Further, an organic solvent may be further added before and / or after the ultrasonic treatment. The organic solvent may be at least one selected from the group consisting of ethanol, toluene, methylethylketone, dimethylformamide, cyclohexyl-pyrrolidinone, N- Dodecyl-pyrrolidone, benzyl benzoate, isopropanol, N-octyl-pyrrolidone, N-vinyl-pyrrolidinone, benzyl ether Benzyl ether, cyclohexanone, dimethylsulphoxide, N-methyl pyrrolidinone, acetone, isopropyl alcohol, and combinations thereof. And the like. However, the organic solvent is not limited to these materials.
또 다른 예를 들어, 상기 화합물의 층간에 삽입(intercalating)공정 없이 초음파를 처리하여 나노구조체가 분산된 용액을 생성할 수 있다. In another example, ultrasonic waves may be treated between layers of the compound without an intercalating process to produce a solution in which the nanostructure is dispersed.
상기 초음파 처리는 상온에서 10 W 이상 500 W 이하의 에너지로, 10 분 이상 6시간 동안 수행될 수 있다. 또한, 상기 초음파 처리의 전 및/또는 후에 전술한 바와 같은 유기용매를 더 첨가할 수 있다.The ultrasonic treatment may be performed at an ambient temperature of 10 W or more and 500 W or less for 10 minutes or more for 6 hours. Further, an organic solvent as described above may be further added before and / or after the ultrasonic treatment.
이와 같은 삽입 공정 없이 초음파 처리를 통한 박리법은, 박리화와 분산이 단일의 단계에서 수행되기 때문에 공정이 단순화될 수 있는 장점이 있을 수 있다. Without such an inserting step, the exfoliation method by ultrasonic treatment may be advantageous in that the exfoliation and dispersion are performed in a single step, which simplifies the process.
나아가, 상기 공정에 의한 초음파 처리 후에, 상대적으로 낮은 온도에서(예를 들어, room temperature), 에어 밀링(air milling), 볼 밀링(ball milling), 회전 블레이드 쉬어링(rotating blade shearing) 등과 같은 전단력을 이용한 가공(mechanical shearing) 처리를 더 할 수 있고, 이로써 열전 특성이 보다 향상될 수 있다. Further, after the ultrasonic treatment by the above process, a shear force such as air milling, ball milling, rotating blade shearing, and the like at a relatively low temperature (for example, room temperature) A mechanical shearing treatment can be performed, thereby further improving the thermoelectric properties.
한편, 박리된 나노구조체가 분산된 열전 나노컴포지트 용액에는, 나노시트 외에 나노와이어, 나노파티클, 나노튜브 등이 포함되어 있을 수 있다.On the other hand, the thermoelectric nanocomposite solution in which the exfoliated nanostructure is dispersed may contain nanowires, nanoparticles, nanotubes, and the like in addition to the nanosheet.
상기 나노 와이어, 나노 파티클, 나노 튜브는 전술한 바와 같이 나노 시트의 제조 시에 함께 생성될 수도 있으며, 또는, 나노와이어, 나노파티클, 나노튜브을 별도로 생성하여 상기 열전 나노 컴포지트 용액에 혼합시킬 수 있다.
The nanowires, nanoparticles, and nanotubes may be produced together with the nanosheet as described above, or nanowires, nanoparticles, and nanotubes may be separately generated and mixed into the thermoelectric nanocomposite solution.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트의 모폴로지 구조에 관하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a morphology structure of thermoelectric nanocomposite according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 2 내지 도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트에 있어서, 폴리머 매트릭스에 나노구조체가 분산되어 있는 모폴로지(morphology) 구조를 설명하기 위한 도면이다.FIGS. 2 to 6 are diagrams for explaining a morphology structure in which nanostructures are dispersed in a polymer matrix in a thermoelectric nanocomposite according to an embodiment of the present invention. FIG.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트는, 폴리머 매트릭스(10)에 다수의 나노 파티클(21) 및 나노 시트(23)가 분산된 형태로 존재할 수 있다. Referring to FIG. 2, a thermoelectric nanocomposite according to an embodiment of the present invention may include a plurality of
여기서, 상기 폴리머 매트릭스 내에서 단위 면적당 나노 구조체가 차지하는 면적 비율이 10% 이상 70% 이하인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트의 열전 특성 및/또는 전기전도성은 최적화될 수 있다. 즉, 열전 나노컴포지트 전체의 전기전도도 및 열전 특성은 폴리머 매트릭스 내에서 단위 면적당 나노 구조체가 차지하는 비율에 따라 달라질 수 있다. Here, when the ratio of the area occupied by the nanostructure per unit area in the polymer matrix is 10% or more and 70% or less, the thermoelectric properties and / or the electrical conductivity of the thermoelectric nanocomposite according to one embodiment of the present invention can be optimized. That is, the electrical conductivity and thermoelectric properties of the thermoelectric nanocomposite as a whole may vary depending on the proportion of the nanostructure per unit area in the polymer matrix.
예를 들어, 폴리머 매트릭스에 나노구조체를 분산 시키는 경우, 열전 특성이 있는 나노구조체의 단위 면적당 비율을 높임으로써 열전 나노컴포지트 전체의 열전 특성을 향상시킬 수 있다. 왜냐하면, 열전 재료의 열전 성능을 나타내는 열전 성능 지수(ZT)는 열전 재료의 열전 상수(S)의 값의 제곱에 비례하기 때문이다. For example, when the nanostructure is dispersed in the polymer matrix, the thermoelectric characteristics of the thermoelectric nanocomposite can be improved by increasing the ratio of the thermoelectric nanostructure per unit area. This is because the thermoelectric performance index ZT indicating the thermoelectric performance of the thermoelectric material is proportional to the square of the value of the thermoelectric coefficient S of the thermoelectric material.
또는, 예를 들어, 전기전도도가 높으면서 열전도도가 낮은 폴리머 매트릭스에 나노 구조체를 분산 시키는 경우, 적은 량의 나노 구조체를 분산시켜도 열전 나노컴포지트 전체의 열전 특성이 향상될 수 있다. 왜냐하면, 열전 재료의 열전 성능을 나타내는 열전 성능 지수(ZT)는 전기전도도(σ)에 비례하고, 열전도도(k)에 반비례하기 때문이다. Alternatively, for example, when the nanostructure is dispersed in a polymer matrix having a high electrical conductivity and a low thermal conductivity, the thermoelectric properties of the thermoelectric nanocomposite can be improved by dispersing a small amount of the nanostructure. This is because the thermoelectric performance index ZT indicating the thermoelectric performance of the thermoelectric material is proportional to the electric conductivity () and inversely proportional to the thermal conductivity k.
한편, 상기 폴리머 매트릭스 내에 분산되어 있는 하나의 나노체인의 평균 길이가 최소 100nm 이상인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트의 열전 특성 및/또는 전기전도성은 최적화될 수 있다. 즉, 열전 나노컴포지트 전체의 전기전도도 및 열전 특성은 폴리머 매트릭스 내에 분산되어 있는 나노체인의 평균 길이에 따라서도 달라질 수 있다. 왜냐하면, 상기 나노체인에 의해, 전자가 다른 입자와 충돌하지 않고 움직일 수 있는 평균거리인 평균 자유 행로(mean free path)가 제공될 수 있기 때문이다. On the other hand, when the average length of one nanocrystal dispersed in the polymer matrix is at least 100 nm, the thermoelectric properties and / or the electrical conductivity of the thermoelectric nanocomposite according to one embodiment of the present invention can be optimized. That is, the electrical conductivity and thermoelectric properties of the thermoelectric nanocomposite as a whole may also vary depending on the average length of the nanoseconds dispersed in the polymer matrix. This is because the nanoclean can provide a mean free path that is an average distance that electrons can move without colliding with other particles.
다시 말하면, 상기 나노체인의 평균 길이가 길어지면 평균 자유 행로의 길이가 더 길어질 수 있기 때문에, 전자가 다른 입자와 충돌하지 않고 원할하게 움직일 수 있어 전기전도도가 높아질 수 있는 효과가 있다. In other words, since the length of the average free path can be longer when the average length of the nanostructures is longer, electrons can move smoothly without colliding with other particles, and the electric conductivity can be increased.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 나노체인(30)의 평균길이(L1)는 A이고, 전자의 이동방향은 X이며, 제2 나노체인(32)의 평균길이(L2)는 B이고, 전자의 이동방향은 X' 일 수 있다. 이 때, 나노체인의 평균길이가 A>B인 경우, 제1 나노체인의 전기전도도가 제2 나노체인의 전기전도도보다 높으므로, 제1 나노체인의 열전효과가 더 높을 수 있다. 다만, 제2 나노체인을 구성하는 나노구조체들의 열전상수가 제1 나노체인을 구성하는 나노구조체들의 열전상수 보다 큰 경우 제2 나노체인의 열전효과가 더 높을 수도 있다. For example, as shown in FIG. 3, the average length L1 of the
또한, 예를 들어, Bi2Te3계 열전소재의 경우 포논(phonon)은 수 nm의 평균 자유 행로(mean free path)를 가지며, 전자는 포논보다 훨씬 긴 수백 nm의 평균 자유 행로를 가질 수 있기 때문에, 높은 열전효과를 나타낼 수 있다. Also, for example, in the case of a Bi 2 Te 3 thermoelectric material, the phonon has an average free path of several nm, and the electrons can have an average free path of several hundred nm, which is much longer than the phonon Therefore, a high thermoelectric effect can be exhibited.
또한, 도 3에 도시된 두 개의 나노시트와 그들 사이에 하나의 나노파티클이 개재되어 있는 형태의 나노체인, 또는 도 4에 도시된 바와 같이 나노시트 만으로 구성된 나노체인이 형성될 수 있다. In addition, a nanostructure having two nanosheets shown in FIG. 3 and one nanoparticle interposed therebetween, or a nanostructure composed only of nanosheets as shown in FIG. 4, may be formed.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 두 개의 나노시트와 하나의 나노파티클 및 두 개의 나노시트와 하나 이상의 나노와이어가 개재되어 있는 형태의 나노체인이 형성될 수 있다. In addition, as shown in Fig. 5, a nanocycle may be formed in which two nanosheets, one nanoparticle, two nanosheets, and one or more nanowires are interposed.
그러나, 상기 나노체인이 과도하게 분산된 경우 오히려 전기전도도를 저하시킬 수 있으므로, 상기 폴리머 매트릭스 내에 분산되어 있는 하나의 나노체인의 평균 길이는 100nm 이상 50 ㎛ 이하인 것이 바람직할 수 있다.However, when the nanostructures are dispersed excessively, the electrical conductivity may be lowered. Therefore, it is preferable that the average length of one nanostructure dispersed in the polymer matrix is 100 nm or more and 50 m or less.
여기서, 상기 열전 나노컴포지트의 전기전도도는 적어도 0.1 S/cm 이상, 열전도도는 적어도 0.05 W/mK 이상인 것이 바람직할 수 있다. Here, it is preferable that the thermoelectric nanocomposite has an electrical conductivity of at least 0.1 S / cm or more and a thermal conductivity of at least 0.05 W / mK or more.
또한, 동일한 폴리머 매트릭스 내에 나노 구조체들이 분산되어 있는 경우보다, 나노 구조체들이 나노 체인을 형성하고 있는 경우에 전기전도도 및 열전 특성이 향상될 수 있다.
Also, the electrical conductivity and thermoelectric properties can be improved when the nanostructures form a nanostructure, rather than when the nanostructures are dispersed in the same polymer matrix.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트를 필름 형태로 제조하는 방법에 관하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a method of producing a thermoelectric nanocomposite according to an embodiment of the present invention in the form of a film will be described in detail.
즉, 전술한 방법에 의해 제조된 열전 나노컴포지트를 이용하여 필름 형태의 열전 나노컴포지트 소재(이하, '열전 나노컴포지트 필름' 이라 한다)를 제조할 수 있다. 이하에서는, 도면을 참조하여, 상기 열전 나노컴포지트 필름을 제조하는 대표적인 방법으로 테이프 캐스팅 공정에 대하여 설명한다. That is, a thermoelectric nanocomposite material (hereinafter referred to as a thermoelectric nanocomposite film) in the form of a film can be manufactured using the thermoelectric nanocomposite produced by the above-described method. Hereinafter, a tape casting process will be described as a typical method of manufacturing the thermoelectric nanocomposite film with reference to the drawings.
도 7은 종래 기술에 의한 테이프 캐스팅 공법에 관한 개략도 이며, 도 8은 테이프 캐스팅 공정에 의해 제조된 열전 나노컴포지트 필름의 모폴로지 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. FIG. 7 is a schematic view of a conventional tape casting method, and FIG. 8 is a schematic view of a morphology structure of a thermoelectric nanocomposite film produced by a tape casting process.
도 7을 참조하면, 테이프 캐스팅 장치(100)의 댐(110)에 담겨있는 슬러리는 높낮이 조절이 가능한 블레이드(120)를 통해 컨베이어 상의 폴리머 기저 필름 상에 테이프 캐스팅될 수 있다. 상기 컨베이어 상의 폴리머 기저 필름 상에 밀착 고정된 테이프 캐스팅 장치(100)에 의하여 도포된 슬러리는 히터가 장착되어 있는 건조터널(미도시)을 통과하면서 건조되어 필름으로 완성될 수 있다. Referring to FIG. 7, the slurry contained in the
즉, 상기 댐(110)에는 전술한 열전 나노컴포지트 용액이 저장되어 있을 수 있고, 상기 열전 나노컴포지트 용액이 컨베이어 상의 폴리머 기저 필름 상에 테이프 캐스팅될 수 있다. 이에 따라, 상기 컨베이어 상의 폴리머 기저 필름 상에 도포된 상기 열전 나노컴포지트 용액은 건조 과정을 거쳐 필름 형태로 제조될 수 있다. That is, the
이 때, 상기 열전 나노컴포지트 용액을 상기 폴리머 기저 필름 상에 캐스팅함에 있어서, 열 처리 중 및/또는 전후에 일정한 방향의 전단력(shearing stress)이 가해질 수 있다. 상기 일정한 방향은 캐스팅 방향(D1) 또는 필름폭 방향(D2)의 어느 한 방향 또는 양방향으로 연신할 수 있고, 연신방향을 조절하여 배향화된 필름을 제조할 수 있다. At this time, when the thermotropic nanocomposite solution is cast on the polymer base film, a shearing stress in a certain direction may be applied during and / or after the heat treatment. The predetermined direction can be stretched in either one direction or both directions of the casting direction (D1) or the film width direction (D2), and the stretched direction can be adjusted to produce an oriented film.
예를 들어, 도 8을 참조하면, 캐스팅 방향(D1)의 전단력에 의해, 상기 나노구조체들이 D1 방향으로 배향화될 수 있다. For example, referring to FIG. 8, the nanostructures can be oriented in the direction D1 by the shear force in the casting direction D1.
또한, 예를 들어, 도 9를 참조하면, 캐스팅 방향(D1) 및 필름폭 방향(D2)의 양방향으로 전단력을 가함에 따라, 상기 나노구조체들이 D3 방향으로 배향화될 수 있다. Further, referring to FIG. 9, for example, the nanostructures can be oriented in the D3 direction by applying a shear force in both directions of the casting direction D1 and the film width direction D2.
따라서, 전단력에 의한 나노구조체들의 배향화에 따라 전자의 원활한 이동을 가능하게 함으로써 전기전도도가 향상될 수 있다. Therefore, the electric conductivity can be improved by allowing the smooth movement of electrons according to the orientation of the nanostructures by the shear force.
이와 같이, 열전 나노컴포지트 용액을 테이프 캐스팅 공정에 의해 필름 형태로 제조하는 경우, 나노구조체들이 특정 방향으로 배향화되어 높은 열전 특성을 나타냄과 동시에 전기전도도가 향상된 컴포지트 소자를 생산하는 것이 가능할 수 있다.
When the thermoelectric nanocomposite solution is produced in the form of a film by a tape casting process, it is possible to produce a composite device in which the nanostructures are oriented in a specific direction to exhibit high thermoelectric properties and at the same time, electric conductivity is improved.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트 용액 또는 열전 나노컴포지트 필름을 활용한 열전 소자에 관하여 설명한다. Hereinafter, a thermoelectric device utilizing a thermoelectric nanocomposite solution or a thermoelectric nanocomposite film according to an embodiment of the present invention will be described.
도 9는 본 발명에 일 실시예에 따른 열전 소자의 정면도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 평면도이다.FIG. 9 is a front view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a plan view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자는 기판(40) 과, 상기 기판 상부에 형성된 절연층(42)과, 상기 절연층 상부에 형성된 다수의 전극(44)을 포함할 수 있고, 상기 전극(44)에 P형의 열전 나노컴포지트(50)와 N형의 열전 나노컴포지트(60)가 부착되어 있을 수 있다. 여기서, P형의 열전 나노컴포지트(50)는 P형의 나노 구조체 및 P형의 전도성 폴리머로 구성될 수 있고, N형의 열전 나노컴포지트(60)는 N형의 나노 구조체 및 N형의 전도성 폴리머로 구성될 수 있다. 9 and 10, a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention includes a substrate 40, an insulating
구체적으로, 상기 열전 소자를 제조하는 방법은, 먼저 분리 가능한 기판(40) 위에 금속 박막(도면 미도시)을 일정한 크기로 패터닝한다. Specifically, in the method of manufacturing the thermoelectric element, a metal thin film (not shown) is patterned on a separable substrate 40 to a predetermined size.
상기 분리 가능한 기판(10)의 재질은, 폴리머(polymer), 특히 유기 고분자, 유리 등일 수 있고, 바람직하게는 폴리이미드 또는 액정성 폴리머 필름일 수 있다. 상기 기판(10) 위에 금속 박막을 형성시키는 방법으로는, 직접 접착, 도금, 패스팅(Pasting), 증착 등의 박막 제조방법 등이 있다.The material of the
다음으로, 상기와 같이 분리 가능한 기판(40) 위에 금속 박막을 일정한 크기로 패터닝한 후, 상기 금속 박막 위에 열전 나노컴포지트(50,60)를 섀도 마스크(도면 미도시)를 이용하여 증착 또는 스크린 프린팅한다. 상기 증착 방법으로서는, 열 증착(Thermal evaporation), 이 빔(E-beam), 스퍼터링(Sputtering), CVD(Chemical Vapor Deposition)법 등이 있으나, 열 증착 또는 이 빔 증착법을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. Next, the metal thin film is patterned to a predetermined size on the detachable substrate 40, and then the
또는, 상기 열전 소자를 제조하는 다른 방법으로, 잉크젯 방식에 의해 상기 열전 나노컴포지트 용액을 상기 금속 박막 위에 도포하는 방법이 가능할 수 있다.Alternatively, as another method of manufacturing the thermoelectric element, a method of applying the thermoelectric nanocomposite solution onto the metal thin film by an inkjet method may be possible.
또는, 열전 나노컴포지트 필름을 직접 상기 금속 박막 위에 부착하는 방법이 가능할 수 있다. Alternatively, a method of directly attaching the thermoelectric nanocomposite film on the metal thin film may be possible.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 나노컴포지트 소자의 제조방법에 의하면, 열전 나노컴포지트 소재의 위치를 조립 시에 결정할 수 있기 때문에 일반적인 에칭에 의한 경우에 비해 공정을 단순화할 수 있다. Therefore, according to the method of manufacturing a thermoelectric nanocomposite device according to an embodiment of the present invention, since the position of the thermoelectric nanocomposite material can be determined at the time of assembly, the process can be simplified compared to the case of general etching.
한편, 이와 같은 열전 소자는, 소재의 양단에 온도 차이를 가할 때 그 양단에 기전력에 의해 기전력이 발생하는 현상을 이용하여 발전분야에 응용할 수 있고, 양단에 이종 금속을 통해 전류를 공급할 때 계면에서 냉각 또는 발열이 발생하는 형상을 이용하여 냉각분야에 응용할 수 있다.
On the other hand, such a thermoelectric element can be applied to a power generation field by utilizing a phenomenon that an electromotive force is generated by an electromotive force at both ends when a temperature difference is applied to both ends of the material. When current is supplied through the dissimilar metals at both ends, It can be applied to a cooling field by using a shape in which cooling or heat is generated.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 또한 본 문서에서 설명된 실시예들은 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. The present invention is not limited to the drawings. In addition, the embodiments described in this document can be applied to not only the present invention, but also all or some of the embodiments may be selectively combined so that various modifications can be made.
10: 폴리머 매트릭스(polymer matrix) 21: 나노 파티클(nanoparticle)
23: 나노 시트(nanosheet) 30, 32: 나노체인 (nanochain)
40: 기판 42: 절연층
44: 전극 50: P형 열전 나노컴포지트
60: N형 열전 나노컴포지트 10: polymer matrix 21: nanoparticle < RTI ID = 0.0 >
23:
40: substrate 42: insulating layer
44: Electrode 50: P-type thermoelectric nanocomposite
60: N type thermoelectric nano composite
Claims (6)
상기 나노구조체들 상호 간 접촉에 의해 나노체인이 형성되어 있고,
상기 폴리머 매트릭스 내에 분산되어 있는 상기 나노 체인의 평균 길이(L)는, 100nm 이상 50㎛ 이하인 열전 나노컴포지트.
A thermoelectric nanocomposite in which nanostructures are dispersed in a polymer matrix,
Wherein the nanostructures are in contact with each other to form a nanostructure,
The thermoelectric nanocomposite having an average length (L) of the nanocrystals dispersed in the polymer matrix of 100 nm or more and 50 占 퐉 or less.
폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜, 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜), 폴리(3-메틸싸이오펜), 폴리(para-페닐렌), 폴리(para-페닐렌비닐렌), 폴리(2,7-카바졸릴렌비닐렌), 이들의 블렌드 및 코폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인 열전 나노컴포지트.
The polymer matrix of claim 1,
Poly (3,4-ethylenedioxythiophene), poly (3-methylthiophene), poly (para-phenylene), poly (para- phenylenevinylene) , Poly (2,7-carbazolylene vinylene), blends thereof, and copolymers.
나노 파티클(nano particle), 나노 와이어(nano wire), 나노시트(nano sheet) 및 나노 튜브(nano tube)중 적어도 하나 이상을 포함하는 열전 나노컴포지트.
2. The nanostructure according to claim 1,
A thermoelectric nanocomposite comprising at least one of a nano particle, a nano wire, a nano sheet, and a nano tube.
The thermoelectric nanocomposite according to claim 1, wherein the nanostructure is formed from a solution in which a bulk material is dispersed.
5. The method of claim 4, wherein the bulk material is selected from the group consisting of metal oxides, Bi-Te, Pb-Te, Co-Sb, Si-Ge, Nanocomposite.
상기 폴리머 매트릭스 내에서 단위 면적당 나노 구조체가 차지하는 면적 비율은 10% 이상 70% 이하인 열전 나노컴포지트.
A thermoelectric nanocomposite in which nanostructures are dispersed in a polymer matrix,
Wherein the ratio of the area occupied by the nanostructure per unit area in the polymer matrix is 10% or more and 70% or less.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020120154450A KR101420023B1 (en) | 2012-12-27 | 2012-12-27 | Thermoelectric nanocomposite |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020120154450A KR101420023B1 (en) | 2012-12-27 | 2012-12-27 | Thermoelectric nanocomposite |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20140084709A true KR20140084709A (en) | 2014-07-07 |
KR101420023B1 KR101420023B1 (en) | 2014-07-17 |
Family
ID=51734550
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020120154450A KR101420023B1 (en) | 2012-12-27 | 2012-12-27 | Thermoelectric nanocomposite |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR101420023B1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20180057798A (en) * | 2016-11-22 | 2018-05-31 | 한국기술교육대학교 산학협력단 | Thermoelectric thin film nanocomposites |
KR20190049016A (en) * | 2017-11-01 | 2019-05-09 | 한국전기연구원 | Crystal oriented chalcogenide thermoelectric materials using tape casting method and manufacturing method thereof |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5152711B2 (en) * | 2007-07-06 | 2013-02-27 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Structure composed of filler and incompatible resin or elastomer, production method thereof and use thereof |
WO2011091257A1 (en) * | 2010-01-25 | 2011-07-28 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Joined nanostructures and methods therefor |
KR101144888B1 (en) * | 2010-08-30 | 2012-05-14 | 한국과학기술연구원 | Flexible thermoelectric material, method for preparing the same and thermoelectric device comprising the same |
KR20130013224A (en) * | 2011-07-27 | 2013-02-06 | 현대자동차주식회사 | Manufacturing method of polyamide and carbon nano tube composites using high shearing process |
-
2012
- 2012-12-27 KR KR1020120154450A patent/KR101420023B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20180057798A (en) * | 2016-11-22 | 2018-05-31 | 한국기술교육대학교 산학협력단 | Thermoelectric thin film nanocomposites |
KR20190049016A (en) * | 2017-11-01 | 2019-05-09 | 한국전기연구원 | Crystal oriented chalcogenide thermoelectric materials using tape casting method and manufacturing method thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR101420023B1 (en) | 2014-07-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Jin et al. | Hybrid organic–inorganic thermoelectric materials and devices | |
Li et al. | A simple thermoelectric device based on inorganic/organic composite thin film for energy harvesting | |
Han et al. | Recent progress in thermoelectric materials | |
US10020435B2 (en) | Composite thermoelectric material, thermoelectric element and module including the same, and preparation method thereof | |
Mi et al. | Biomolecule-assisted hydrothermal synthesis and self-assembly of Bi2Te3 nanostring-cluster hierarchical structure | |
Yang et al. | Rational design of advanced thermoelectric materials | |
Meng et al. | High performance and flexible polyvinylpyrrolidone/Ag/Ag2Te ternary composite film for thermoelectric power generator | |
KR101409505B1 (en) | Synthesis of silver, antimony, and tin doped bismuth telluride nanoparticles and bulk bismuth telluride to form bismuth telluride composites | |
KR101482598B1 (en) | Thermoelectric material, method for producing same, and thermoelectric conversion module using same | |
KR101902925B1 (en) | Thermoelectric material, thermoelectric element, and thermoelectric module | |
KR20070108853A (en) | Nanocomposites with high thermoelectric figures of merit | |
CN101156255A (en) | Nanostructured bulk thermoelectric material | |
Ali et al. | Nanowire-based thermoelectrics | |
US20200287116A1 (en) | Thermoelectric composite, and thermoelectric element and device including the same | |
KR20150086627A (en) | Thermoelectric material with phase separation, thermoelectric device and method for manufacturing the same | |
Yemata et al. | Conducting polymer-based thermoelectric composites: Principles, processing, and applications | |
US9287484B2 (en) | Thermoelectric material, thermoelectric element, and module including the same, and preparation method thereof | |
US9269882B2 (en) | Thermoelectric material, thermoelectric element and module including the same, and method of preparing the thermoelectric material | |
KR102015916B1 (en) | Thermoelectric material and method for manufacturing the same | |
Nandihalli | Imprints of interfaces in thermoelectric materials | |
KR101451302B1 (en) | A method for preparing bismuth telluride nanotubes and bismuth telluride nanotubes with high aspect ratio | |
Sakane et al. | Thermoelectric properties of Pedot: PSS containing connected copper selenide nanowires synthesized by the photoreduction method | |
KR101420023B1 (en) | Thermoelectric nanocomposite | |
JP5721127B2 (en) | Metal nanomaterial and manufacturing method thereof | |
KR101420022B1 (en) | Thermoelectric nanocomposite |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |