KR20160078648A - Organic-inorganic hybrid thermoelectric material comprising bismuth telluride and polymer of bulk type and the method for preparation thereof - Google Patents

Organic-inorganic hybrid thermoelectric material comprising bismuth telluride and polymer of bulk type and the method for preparation thereof Download PDF

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Abstract

The present invention provides a bulk-type organic-inorganic hybrid thermoelectric material including Bi_2Te_3 and polymer. According to the bulk-type organic-inorganic hybrid thermoelectric material of the present invention, polymer and Bi_2Te_3 are physically and chemically combined with each other, so that the electric and thermal properties are changed, thereby improving the thermoelectric figure of merit. In addition, the bulk-type organic-inorganic hybrid thermoelectric material has a property suitable to a thermoelectric field as a thermoelectric material. In advance, Bi_2Te_3 powder is prepared through a method for preparing a bulk-type organic-inorganic hybrid thermoelectric material, so that the firing temperature for preparing a final organic-inorganic hybrid thermoelectric material is reduced to be prepared in a bulk-type.

Description

벌크 형태의 Bi2Te3 및 고분자를 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료 및 이의 제조방법{Organic-inorganic hybrid thermoelectric material comprising bismuth telluride and polymer of bulk type and the method for preparation thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an organic-inorganic hybrid thermoelectric material including a bulk type Bi2Te3 and a polymer, and a method of manufacturing the same,

본 발명은 벌크 형태의 Bi2Te3 및 고분자를 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an organic / inorganic hybrid thermoelectric material including bulk type Bi 2 Te 3 and a polymer, and a method for producing the same.

최근 에너지 재활용에 대한 수요가 급증하고 있다. 또한, 화석연료 사용에 따른 이산화탄소 발생에 의해 지구 온난화 현상 등의 예상치 못한 많은 기후 변화가 발생하고 있다. 배폐열에너지 재활용과 이산화탄소 발생 억제를 위해 폐열로부터 전기에너지를 발전할 수 있는 열전발전기술이 이러한 문제해결의 좋은 대안의 하나로 제시되고 있다.
Recently, demand for energy recycling is increasing rapidly. In addition, due to the generation of carbon dioxide resulting from the use of fossil fuels, many unexpected changes such as global warming are occurring. Thermal power generation technology capable of generating electric energy from waste heat for recycling waste heat energy and suppressing the generation of carbon dioxide is suggested as a good alternative to such a problem.

열전발전기술은 기존 발전기술과 달리 고체상태에서 열에너지를 전기에너지로 직접 변환할 수 있고, 무소음, 장수명, 유지보수의 편리성, 이산화탄소를 발생시키지 않는 장점을 가지고 있다. 또한, 발전용량도 마이크로와트~메가와트까지 다양한 용량의 발전이 가능하다. 사용 용도별로 보면 낙도의 독립전원, 야전의 군용전원, 도심지외곽의 소각로 폐열을 이용한 분산전원, 체열을 이용한 바이오메디컬용 전원 등 매우 다양한 용도에 적용할 수 있다.
Unlike conventional power generation technologies, thermoelectric power generation technology can directly convert thermal energy into electric energy in a solid state, and has advantages of quietness, long life, easy maintenance, and no generation of carbon dioxide. In addition, the power generation capacity can be expanded to various capacities from micro watts to megawatts. It can be applied to a wide variety of applications such as an isolated power source for a remote island, a military power source for a field, a distributed power source using an incinerator waste heat outside an urban area, and a biomedical power source using heat.

열전발전은 각종 산업분야 및 생활환경에서 발생하는 폐열을, 열전소자를 통해 기전력으로 변환시키는 기술을 총칭한다. 즉, 제벡(Seebeck) 효과를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 것이다. 상기 열전소자의 에너지변환효율은 열전재료의 성능지수(ZT)에 의존한다. 열전재료의 성능지수, 즉 열전성능지수는 온도(T)에 비례하며, 각 열전재료의 제벡 계수(α), 전기 전도도(σ), 및 열 전도도(κ)에 의해 결정될 수 있다(하기 수학식 1).
Thermoelectric generators are collectively referred to as technologies for converting waste heat generated in various industrial and living environments into electromotive force through thermoelectric elements. That is, heat energy is converted into electric energy using the Seebeck effect. The energy conversion efficiency of the thermoelectric element depends on the performance index (ZT) of the thermoelectric material. The performance index of the thermoelectric material, that is, the thermoelectric performance index is proportional to the temperature T and can be determined by the heat transfer coefficient (?), The electric conductivity (?) And the Seebeck coefficient (?) Of each thermoelectric material One).

(수학식 1) ZT = α2σT/κ(1) ZT =? 2 ? T /?

(ZT는 열전성능지수,α는 제백 계수, σ는 전기전도도, T는 온도, κ는 열전도도이다.)
(ZT is the thermoelectric performance index, α is the whiteness factor, σ is the electrical conductivity, T is the temperature, and κ is the thermal conductivity.)

일반적으로, 무기 열전재료는 제백 계수나 전기전도도 값이 높고, 열전도도가 높다고 하는 문제가 있다. 또한, 유기 열전재료는 열전도도가 낮은 장점이 있으나, 전기전도도가 부족한 문제가 있다. 상기와 같은 장점과 단점을 가지는 무기 열전재료와 유기 열전재료를 하이브리드화함으로써, 유기 열전재료와 무기 열전재료 2 종의 성질을 동시에 발현시켜 낮은 열전도도를 가지고, 높은 제백 계수나 전기전도도 값을 갖는 열전재료에 대한 연구가 진행중에 있다.
Generally, there is a problem that the inorganic thermoelectric material has a high whitening coefficient, high electrical conductivity, and high thermal conductivity. Further, although the organic thermoelectric material has the advantage of low thermal conductivity, there is a problem that the electric conductivity is insufficient. By hybridizing the inorganic thermoelectric material and the organic thermoelectric material having the advantages and disadvantages as described above, it is possible to simultaneously develop the properties of the organic thermoelectric material and the inorganic thermoelectric material to simultaneously exhibit low thermal conductivity, high whitening coefficient, Research on thermoelectric materials is underway.

상기와 같이 유기 열전재료 및 무기 열전재료를 하이브리드화시킨 일례를 살펴보면, B. Zhang 등은 박막 형태로 PEDOT:PSS 고분자와 Bi2Te3 열전재료를 복합화시킨 논문이 개시된 바 있다. 그러나, 상기 고분자 및 무기 열전재료의 복합체는 유기 재료 및 무기 재료 간의 물리적 결합만 존재하여 전기적 특성과 열적 특성이 변화하기 어려우며, 0.1 이하의 낮은 열전성능지수을 나타내는 문제가 있다. As an example of hybridizing the organic thermoelectric material and the inorganic thermoelectric material as described above, B. Zhang et al. Disclosed a paper in which a PEDOT: PSS polymer and a Bi 2 Te 3 thermoelectric material were combined in a thin film form. However, the complex of the polymer and the inorganic thermoelectric material has only a physical bond between the organic material and the inorganic material, so that it is difficult to change the electrical and thermal properties, and the thermoelectric performance index is as low as 0.1 or less.

또한, 상기 열전재료는 박막 형태로서 다음과 같은 문제점이 있다.
Further, the thermoelectric material has the following problems in the form of a thin film.

박막 형태의 열전재료는 벌크 형태와 비교하였을 때, 낮은 열전도도를 보일 수 있으나 열전달량(

Figure pat00001
)은 소재의 두께(l)에 반비례하므로 박막 형태의 경우 벌크 형태에 비해 열전발전에 필요한 온도차가 빠른 속도로 없어질 수 있다. Thin film thermoelectric materials can show low thermal conductivity when compared with bulk form,
Figure pat00001
) Is inversely proportional to the thickness (1) of the material, so that the temperature difference required for the thermoelectric power generation can be rapidly eliminated in the case of the thin film type as compared with the bulk type.

따라서, 박막 형태의 경우, 열전발전 분야에는 적용하기 어렵고 열전냉각 분야에 적합한 구조이다.
Therefore, the thin film type is difficult to apply to the field of thermoelectric power generation, and is suitable for the thermoelectric cooling field.

이에, 본 발명자들은 열전발전 분야에 적용할 수 있으며, 우수한 열전성능지수를 가지는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료에 대하여 연구하던 중, 벌크 형태의 Bi2Te3 및 고분자를 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료를 개발하였으며, 상기 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 열전특성이 우수한 것을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have been studying organic-inorganic hybrid thermoelectric materials that can be applied to the field of thermoelectric power generation and have excellent thermoelectric performance indexes, and have found that bulk-type Bi 2 Te 3 and organic / inorganic hybrid thermoelectric materials And found out that the thermoelectric properties of the organic / inorganic hybrid thermoelectric material are excellent, and completed the present invention.

본 발명의 목적은 열전발전 분야에 적용할 수 있으며, 우수한 열전성능지수를 가지는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료를 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to provide an organic / inorganic hybrid thermoelectric material which can be applied to the field of thermoelectric power generation and has an excellent thermoelectric performance index.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,

벌크 형태의 Bi2Te3 및 고분자를 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료를 제공한다.
An organic / inorganic hybrid thermoelectric material including bulk type Bi 2 Te 3 and a polymer is provided.

또한, 본 발명은In addition,

고분자 분말을 준비하는 단계(단계 1);Preparing a polymer powder (step 1);

Bi-Te 수화물을 기상환원시켜 Bi2Te3 분말을 제조하는 단계(단계 2); A step of producing Bi 2 Te 3 powder by gas phase reduction of Bi-Te hydrate (step 2);

상기 단계 1 및 단계 2에서 제조된 고분자 분말 및 Bi2Te3 분말을 혼합하여 Bi2Te3/고분자 혼합물 분말을 제조하는 단계(단계 3); 및 (Step 3) of preparing the Bi 2 Te 3 / polymer mixture powder by mixing the polymer powder prepared in steps 1 and 2 and the Bi 2 Te 3 powder; And

상기 단계 3에서 제조된 Bi2Te3/고분자 혼합물 분말을 소결하는 단계(단계 4);를 포함하는 벌크 형태의 Bi2Te3 및 고분자를 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법을 제공한다.
And sintering the Bi 2 Te 3 / polymer mixture powder prepared in the step 3 (step 4); and a process for producing an organic / inorganic hybrid thermoelectric material containing a polymer and Bi 2 Te 3 in bulk form .

본 발명에 따른 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 고분자와 Bi2Te3가 물리적, 화학적으로 결합하여 재료의 전기적, 열적 특성을 변화시킴으로써, 궁극적으로 열전성능지수가 향상되는 효과가 있다. 또한, 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료로써 열전발전 분야에 적합한 특성을 나타낸다. 나아가, 본 발명에 따른 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법은 기상환원 방법을 통해 Bi2Te3 분말을 제조함으로써, 최종 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료를 제조하기 위한 소결 온도를 낮춰 벌크 형태로 제조가 가능하다.
In the bulk organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention, the polymer and Bi 2 Te 3 are physically and chemically bonded to change the electrical and thermal properties of the material, ultimately improving the thermoelectric performance index. In addition, it is a bulk type organic / inorganic hybrid thermoelectric material and exhibits properties suitable for the field of thermoelectric power generation. In addition, the method for producing a bulk organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention can produce a Bi 2 Te 3 powder through a gas phase reduction method, thereby lowering a sintering temperature for producing a final organic / inorganic hybrid thermoelectric material, .

도 1은 본 발명에 따른 Bi2Te3 및 고분자를 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법에 관한 공정흐름도이고;
도 2는 본 발명에 따른 Bi2Te3 및 고분자를 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 3 내지 5는 본 발명에 따른 실시예 1 내지 6에서 제조된 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료 및 비교예 1의 Bi2Te3 열전재료의 X선 회절 분석(XRD) 결과이고;
도 6은 본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 5에서 제조된 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료 및 비교예 1의 Bi2Te3 열전재료를 광학현미경으로 관찰한 사진이고;
도 7은 본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 5에서 제조된 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료 및 비교예 1의 Bi2Te3 열전재료의 온도에 따른 저항율을 나타낸 그래프이고;
도 8은 본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 5에서 제조된 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료 및 비교예 1의 Bi2Te3 열전재료의 온도에 따른 제백계수를 나타낸 그래프이고;
도 9는 본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 5에서 제조된 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료 및 비교예 1의 Bi2Te3 열전재료의 온도에 따른 역률을 나타낸 그래프이고;
도 10은 본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 5에서 제조된 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료 및 비교예 1의 Bi2Te3 열전재료의 온도에 따른 열전도도를 나타낸 그래프이고;
도 11은 본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 5에서 제조된 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료 및 비교예 1의 Bi2Te3 열전재료의 온도에 따른 열전성능지수를 나타낸 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a process flow diagram of a method for producing an organic / inorganic hybrid thermoelectric material including Bi 2 Te 3 and a polymer according to the present invention;
2 is a schematic view showing an example of a method for producing an organic / inorganic hybrid thermoelectric material containing Bi 2 Te 3 and a polymer according to the present invention;
Figs. 3 to 5 are X-ray diffraction (XRD) results of the bulk organic-inorganic hybrid thermoelectric material prepared in Examples 1 to 6 and the Bi 2 Te 3 thermoelectric material of Comparative Example 1 according to the present invention;
6 is a photograph of a bulk organic-inorganic hybrid thermoelectric material prepared in Examples 1, 3 and 5 according to the present invention and a Bi 2 Te 3 thermoelectric material of Comparative Example 1 observed under an optical microscope;
7 is a graph showing resistivities of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material in bulk form and the Bi 2 Te 3 thermoelectric material of Comparative Example 1 produced in Examples 1, 3 and 5 according to the present invention ;
8 is a graph showing the whiteness coefficients of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material in the bulk form and the Bi 2 Te 3 thermoelectric material prepared in Example 1, Example 3 and Example 5 according to the present invention, ego;
9 is a graph showing the power factor of the organic / inorganic hybrid thermoelectric material in bulk form and the Bi 2 Te 3 thermoelectric material of Comparative Example 1 produced in Examples 1, 3 and 5 according to the present invention ;
10 is a graph showing the thermal conductivities of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material in the bulk form and the Bi 2 Te 3 thermoelectric material of Comparative Example 1 produced in Examples 1, 3 and 5 according to the present invention ego;
11 shows the thermoelectric performance indexes of the organic / inorganic hybrid thermoelectric materials prepared in Examples 1, 3 and 5 according to the present invention and the thermoelectric properties of Bi 2 Te 3 thermoelectric materials of Comparative Example 1 Graph.

본 발명은The present invention

벌크 형태의 Bi2Te3 및 고분자를 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료를 제공한다.
An organic / inorganic hybrid thermoelectric material including bulk type Bi 2 Te 3 and a polymer is provided.

이하, 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, the organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 벌크 형태인 것을 특징으로 한다. 벌크 형태의 특성 상, 종래의 박막 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료보다 우수한 상용성을 제공할 수 있다. The organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention is characterized by being in a bulk form. In terms of bulk characteristics, superior compatibility with conventional organic / inorganic hybrid thermoelectric materials in a thin film form can be provided.

또한, 종래의 박막 형태의 열전재료는 벌크 형태와 비교하였을 때, 낮은 열전도도를 보일 수 있으나 열전달량(

Figure pat00002
)은 소재의 두께(l)에 반비례하므로 박막 형태의 경우 벌크 형태에 비해 열전발전에 필요한 온도차가 빠른 속도로 없어질 수 있다. 따라서 박막 형태의 경우, 열전발전 분야에는 적용하기 어려운 형태이다. 반면, 본 발명에 따른 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 박막 형태에 비하여 두꺼운 두께로 인해 온도차를 안정적으로 유지할 수 있으므로 열전발전 분야에 더욱 적합한 특징이 있다. 또한, 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 더욱 우수한 열전성능지수를 나타낸다.
In addition, a conventional thin film thermoelectric material can show a low thermal conductivity when compared with a bulk form,
Figure pat00002
) Is inversely proportional to the thickness (1) of the material, so that the temperature difference required for the thermoelectric power generation can be rapidly eliminated in the case of the thin film type as compared with the bulk type. Therefore, in the case of the thin film type, it is difficult to apply to the field of thermoelectric power generation. On the other hand, the bulk organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention is more suitable for the thermoelectric power generation because the temperature difference can be stably maintained due to the thick thickness compared to the thin film type. Further, the organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention exhibits a further excellent thermoelectric performance index.

본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 화학적 결합 및 물리적 결합이 공존하는 형태인 것이 바람직하다. The organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention preferably has a form in which chemical bonding and physical bonding coexist.

본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 종래 유기물 및 무기물 간 의 물리적 결합으로만 구성되는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료와는 달리 화학적, 물리적 결합이 공존하는 형태인 것이 바람직하다. 이러한 화학적, 물리적 결합으로 인하여 재료의 전기적, 열적 특성이 동시에 변화할 수 있다. 이에, 상기 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 종래 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료보다 우수한 전기적 특성을 가질 수 있으며, 고분자에서의 포논산란으로 인하여 재료의 열전도도가 감소할 수 있으므로 궁극적으로는 열전성능지수가 향상된다.
The organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention is preferably a form in which chemical and physical bonding coexist unlike the conventional organic / inorganic hybrid thermoelectric material consisting only of physical bonding between an organic material and an inorganic material. Due to such chemical and physical bonding, the electrical and thermal properties of the material can be changed at the same time. Thus, the organic / inorganic hybrid thermoelectric material can have electrical properties superior to conventional organic / inorganic hybrid thermoelectric materials, and the thermal conductivity of the material can be reduced due to phonon scattering in the polymer, and ultimately the thermoelectric performance index do.

또한, 상기 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 롬보히드럴(rhombohedral, 능면체) 구조인 것이 바람직하다. 순수한 Bi2Te3와 같은 롬보히드럴 구조를 가짐으로써 벌크상 구현 시 구조적으로 안정하며 우수한 전기전도도를 나타낼 수 있다.
In addition, the organic-inorganic hybrid thermoelectric material is preferably a rhombohedral (rhombohedral) structure. By having a rhombohydral structure such as pure Bi 2 Te 3 , it can be structurally stable and exhibit excellent electrical conductivity in bulk phase implementation.

나아가, 상기 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 밀도는 순수한 Bi2Te3 열전재료의 밀도에 비하여 10 % 내지 30 % 낮은 것이 바람직하다. 만약, 상기 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 밀도가 순수한 Bi2Te3 열전재료의 밀도에 비하여 10 % 미만으로 낮을 경우에는 열전도도의 감소율이 적으며, 30 %를 초과하는 경우에는 기계 가공성이 현저하게 떨어지는 문제가 있다. 낮은 밀도로 인해 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 열전도도가 낮아진다.
Furthermore, the density of the organic / inorganic hybrid thermoelectric material is preferably 10% to 30% lower than the density of the pure Bi 2 Te 3 thermoelectric material. If the density of the organic / inorganic hybrid thermoelectric material is as low as less than 10% of the density of the pure Bi 2 Te 3 thermoelectric material, the reduction rate of the thermal conductivity is small. When the density of the organic / inorganic hybrid thermoelectric material is more than 30% There is a falling problem. Due to the low density, the thermal conductivity of the organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention is low.

또한, 실험예 3을 참조하면, 상기 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 50 ℃ 내지 300 ℃의 온도 범위에서 사용되는 경우 가장 우수한 열전성능지수를 나타낼 수 있다.
In addition, referring to Experimental Example 3, the organic / inorganic hybrid thermoelectric material can exhibit the best thermoelectric performance index when used in a temperature range of 50 to 300 ° C.

본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료에 있어서, 상기 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene)) 및 이들의 유도체 등의 공액고분자(conjugated polymer)일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
In the organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention, the polymer may be poly (3,4-ethylenedioxythiophene), polyaniline, polypyrrole, But are not limited to, conjugated polymers such as polyparaphenylene, polyphenylenevinylene, poly (3-hexylthiophene), and derivatives thereof .

구체적인 일례로써, 상기 고분자로 폴리피롤을 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 경우에는 100 ℃ 내지 170 ℃의 온도 범위에서 사용되는 경우 가장 우수한 열전성능지수를 나타낼 수 있으며, 상기 고분자로 폴리아닐린을 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 경우에는 130 ℃ 내지 200 ℃의 온도 범위에서 사용되는 경우 가장 우수한 열전성능지수를 나타낼 수 있고, 상기 고분자로 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)을 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 경우에는 150 ℃ 내지 250 ℃의 온도 범위에서 사용되는 경우 가장 우수한 열전성능지수를 나타낼 수 있다.
As a specific example, the organic / inorganic hybrid thermoelectric material including polypyrrole as the polymer may exhibit the best thermoelectric performance index when it is used in a temperature range of 100 ° C to 170 ° C, and the polymer may contain polyaniline- In the case of an inorganic hybrid thermoelectric material, it can exhibit the best thermoelectric performance index when it is used in a temperature range of 130 ° C to 200 ° C. The hybrid thermoelectric material can exhibit the best thermoelectric performance index when used in a temperature range of 150 to 250 ° C.

또한, 본 발명은In addition,

고분자 분말을 준비하는 단계(단계 1);Preparing a polymer powder (step 1);

Bi-Te 수화물을 기상환원시켜 Bi2Te3 분말을 제조하는 단계(단계 2); A step of producing Bi 2 Te 3 powder by gas phase reduction of Bi-Te hydrate (step 2);

상기 단계 1 및 단계 2에서 제조된 고분자 분말 및 Bi2Te3 분말을 혼합하여 Bi2Te3/고분자 혼합물 분말을 제조하는 단계(단계 3); 및 (Step 3) of preparing the Bi 2 Te 3 / polymer mixture powder by mixing the polymer powder prepared in steps 1 and 2 and the Bi 2 Te 3 powder; And

상기 단계 3에서 제조된 Bi2Te3/고분자 혼합물 분말을 소결하는 단계(단계 4);를 포함하는 벌크 형태의 Bi2Te3 및 고분자를 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법을 제공한다.
And sintering the Bi 2 Te 3 / polymer mixture powder prepared in the step 3 (step 4); and a process for producing an organic / inorganic hybrid thermoelectric material containing a polymer and Bi 2 Te 3 in bulk form .

이하, 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, the method for manufacturing the organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention will be described in detail for each step.

이때, 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법의 흐름을 도 1의 공정흐름도를 통해 개략적으로 나타내었으며,At this time, the flow of the process for producing the organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention is schematically shown in the process flow chart of FIG. 1,

이하, 도 1의 공정흐름도를 참고하여 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, the method for manufacturing the organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention will be described in detail with reference to the flow chart of FIG.

먼저, 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법에 있어서, 단계 1은 고분자 분말을 준비하는 단계이다.First, in the method for producing an organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention, step 1 is a step of preparing a polymer powder.

상기 단계 1에서는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 유기 열전재료로서 고분자 분말을 준비하는 단계이다.
In the step 1, the polymer powder is prepared as the organic thermoelectric material of the organic / inorganic hybrid thermoelectric material.

구체적으로, 상기 단계 1의 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene)) 및 이들의 유도체 등의 공액 고분자(conjugated polymer)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
Specifically, the polymer of step 1 may be selected from the group consisting of poly (3,4-ethylenedioxythiophene), polyaniline, polypyrrole, polyparaphenylene, poly But are not limited to, conjugated polymers such as poly (phenylenevinylene), poly (3-hexylthiophene) and derivatives thereof.

또한, 상기 단계 1에서 고분자 분말의 준비는, 구체적인 일례로써,The preparation of the polymer powder in the step 1 is, as a concrete example,

고분자가 분산된 용액의 용매를 증발시켜 고분자 건조물을 얻은 후, 이를 분쇄하여 고분자 분말을 준비할 수 있다.
The solvent of the solution in which the polymer is dispersed is evaporated to obtain a dried polymer, and then the polymer powder is pulverized to prepare a polymer powder.

이때, 상기 증발은 50 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 2 시간 내지 5 시간 동안 중탕으로 수행되는 것이 바람직하다. 만약, 상기 증발이 50 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우에는 분산용매가 증발되지 않을 수 있고, 100 ℃의 온도를 초과하는 경우에는 고분자의 회수율이 떨어지고 중탕용액으로 물을 사용할 수 없는 문제가 있다.
At this time, it is preferable that the evaporation is carried out at a temperature of 50 ° C to 100 ° C for 2 hours to 5 hours with stirring. If the above evaporation is carried out at a temperature lower than 50 ° C, the dispersion solvent may not evaporate. If the temperature exceeds 100 ° C, the recovery of the polymer is lowered and water can not be used as a hot water solution.

다음으로, 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법에 있어서, 단계 2는 Bi-Te 수화물을 기상환원시켜 Bi2Te3 분말을 제조하는 단계이다.Next, in the method for producing an organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention, Step 2 is a step of producing Bi 2 Te 3 powder by reducing the Bi-Te hydrate by gas phase.

상기 단계 2는 Bi-Te 수화물을 기상환원시켜 Bi2Te3 분말을 제조하는 단계로서, 기상환원 방법을 통해 Bi2Te3 분말을 제조하기 때문에 최종 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료를 제조하기 위한 소결 온도를 낮춰 벌크 형태로 제조가 가능하다.The step 2 is a Bi-Te by gas phase reduction hydrate comprising the steps of preparing a Bi 2 Te 3 powder, a gas phase through the reduction method to prepare a Bi 2 Te 3 powder because the final organic and inorganic hybrid thermal sintering temperature for the production of material Can be manufactured in a bulk form.

종래에는 액상환원 방법을 주로 사용하여 Bi2Te3 분말을 제조하였으나, 이 경우 분말의 크기가 커져 추후 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료를 제조하기 위한 소결 온도가 높아지는 문제가 있으나, 본 발명에서는 Bi2Te3 분말을 기상환원 방법으로 제조함으로써 분말의 크기가 작아지며 추후 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료를 제조하기 위한 소결 온도를 낮출 수 있다.
Conventionally, the liquid phase but using a reduction method mainly to prepare a Bi 2 Te 3 powder, in this case, but a problem with increasing the sintering temperature for the size is to large manufacturing an organic and inorganic hybrid thermoelectric material further the powder, in the present invention, Bi 2 Te 3 powder is produced by the gas phase reduction method, the size of the powder is reduced and the sintering temperature for producing the organic / inorganic hybrid thermoelectric material can be lowered later.

구체적으로, 상기 단계 2의 Bi-Te 수화물은 Bi 전구체 및 Te 전구체를 산 수용액에 용해시켜 제조될 수 있으며, 상기 산 수용액은 염산, 질산, 황산 및 왕수 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
Specifically, the Bi-Te hydrate of the step 2 may be prepared by dissolving the Bi precursor and the Te precursor in an aqueous acid solution. The acid aqueous solution may be, but not limited to, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, and aqua regia.

또한, 상기 단계 2의 기상환원은 수소분위기에서 350 ℃ 내지 450 ℃ 온도에서 5 시간 내지 10 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 2의 기상환원이 350 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우에는 Bi-Te 수화물이 환원되지 않을 수 있고, 450 ℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우에는 입자성장으로 인하여 벌크 형태 열전재료 제조 시 소결 온도가 높아지는 문제가 있다.
The gas phase reduction in step 2 is preferably carried out in a hydrogen atmosphere at a temperature of 350 ° C to 450 ° C for 5 hours to 10 hours. If the gas phase reduction of step 2 is carried out at a temperature of less than 350 ° C, Bi-Te hydrate may not be reduced, and if carried out at a temperature exceeding 450 ° C, The sintering temperature is high.

다음으로, 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 1 및 단계 2에서 제조된 고분자 분말 및 Bi2Te3 분말을 혼합하여 Bi2Te3/고분자 혼합물 분말을 제조하는 단계이다.
Next, in the method for producing an organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention, the step 3 is a step of mixing the polymer powder prepared in the above step 1 and step 2 and the Bi 2 Te 3 powder to prepare a Bi 2 Te 3 / .

구체적으로, 상기 단계 3의 혼합은 밀링을 포함하여 수행할 수 있으며, 상기 밀링은 유성밀 공정으로 수행될 수 있다. 또한, 상기 유성밀 공정은 7 시간 내지 12 시간 동안 수행될 수 있다. 유성밀 공정을 통한 혼합, 분쇄 및 밀링으로 고분자 분말 및 Bi2Te3 분말이 균일하게 혼합될 수 있다.
Specifically, the mixing of step 3 may be performed including milling, and the milling may be performed by a planetary mill process. Also, the planetary milling process may be performed for 7 to 12 hours. Polymer powders and Bi 2 Te 3 powder can be uniformly mixed by mixing, milling and milling through a planetary mill process.

또한, 상기 단계 3의 Bi2Te3/고분자 혼합물 분말은 고분자 분말을 Bi2Te3 분말 대비 1 중량% 내지 10 중량% 비율로 혼합되는 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 3의 Bi2Te3/고분자 혼합물 분말이 고분자 분말을 Bi2Te3 분말 대비 1 중량% 미만으로 포함하는 경우에는 순수한 Bi2Te3와 비교하여 전기전도도는 유사하나 열전도도 감소효과를 얻을 수 없는 문제가 있으며, 10 중량%를 초과하여 포함하는 경우에는 열전도도 감소효과를 얻을 수는 있으나 밀도가 낮아 전기전도도가 낮아지고 기계가공성이 나빠지는 문제가 발생한다.
The Bi 2 Te 3 / polymer blend powder of step 3 is preferably blended at a ratio of 1 wt% to 10 wt% with respect to the Bi 2 Te 3 powder. If the Bi 2 Te 3 / polymer blend powder of step 3 contains less than 1% by weight of the polymer powder relative to the Bi 2 Te 3 powder, the electrical conductivity is similar to that of pure Bi 2 Te 3 , However, if it contains more than 10% by weight, the effect of reducing the thermal conductivity can be obtained, but the density is low and the electrical conductivity is lowered and the machinability is deteriorated.

다음으로, 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3에서 제조된 Bi2Te3/고분자 혼합물 분말을 소결하는 단계이다.Next, in the method for producing an organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention, Step 4 is a step of sintering the Bi 2 Te 3 / polymer mixture powder prepared in Step 3.

상기 단계 4에서는 상기 단계 3에서 제조된 Bi2Te3/고분자 혼합물 분말을 소결하여 Bi2Te3 및 고분자를 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료를 형성한다.In step 4, the Bi 2 Te 3 / polymer blend powder prepared in step 3 is sintered to form an organic / inorganic hybrid thermoelectric material including Bi 2 Te 3 and a polymer.

종래에는 액상환원 방법으로 제조된 Bi2Te3의 높은 녹는점으로 인해 벌크 형태의 화합물을 제조하기 어려운 문제가 있다. 본 발명에서는 상기 단계 2의 기상환원 방법으로 Bi2Te3 분말을 제조함으로써 소결 온도를 낮추어 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료를 제조할 수 있다.
Conventionally, there is a problem that it is difficult to produce a bulk type compound due to the high melting point of Bi 2 Te 3 produced by the liquid phase reduction method. In the present invention, the Bi 2 Te 3 powder is produced by the gas phase reduction method of step 2, thereby lowering the sintering temperature to produce a bulk organic / inorganic hybrid thermoelectric material.

구체적으로, 상기 단계 4의 소결은 방전 플라즈마법으로 수행되는 것이 바람직하다. 상기와 같은 방전 플라즈마법으로 소결함으로써 손쉽게 벌크 형태를 제조할 수 있다.Specifically, the sintering in step 4 is preferably performed by a discharge plasma method. By sintering by the discharge plasma method as described above, a bulk shape can be easily produced.

구체적인 일례로써, 상기 방전 플라즈마법은 도 2에 나타낸 바와 같이, 그래파이트 몰드에 분말을 장입하여 수행함으로써 원기둥 모양의 벌크 형태 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료를 제조할 수 있다.
As a specific example, as shown in FIG. 2, the discharge plasma method may be carried out by charging a powder into a graphite mold to produce a cylindrical bulk-organic-inorganic hybrid thermoelectric material.

또한, 상기 단계 4의 소결은 300 ℃ 내지 400 ℃의 온도에서 2 분 내지 5 분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 4의 소결이 300 ℃의 온도 미만에서 수행되는 경우에는 소결밀도가 낮으므로 기계가공성이 나쁘고 전기전도도가 낮은 문제가 있다. 또한, 400 ℃의 온도를 초과하는 경우에는 고분자가 분해되어 열전도도가 감소하는 효과를 얻을 수 없다.
In addition, the sintering of step 4 is preferably performed at a temperature of 300 ° C to 400 ° C for 2 minutes to 5 minutes. If the sintering of step 4 is carried out at a temperature of less than 300 캜, the sintering density is low, resulting in poor machinability and low electrical conductivity. If the temperature is higher than 400 DEG C, the effect of decomposing the polymer and reducing the thermal conductivity can not be obtained.

이와 같이, 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법은 낮은 온도에서 소결할 수 있는 Bi2Te3를 통해 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료(Bi2Te3-고분자)를 얻을 수 있는 제조방법으로써, 벌크 형태의 특성 상 기존 박막형 유무기 복합물 열전재료보다 우수한 상용성을 제공한다. 박막 형태의 열전재료는 벌크 형태의 열전재료와 비교하였을 때, 낮은 열전도도를 보일 수 있으나 열전달량(

Figure pat00003
)은 소재의 두께(l)에 반비례하므로 박막 형태의 경우 벌크 형태에 비해 열전발전에 필요한 온도차가 빠른 속도로 없어질 수 있다. 따라서 박막 형태의 경우, 열전발전 분야에는 적용하기 어렵고 열전냉각 분야에 적합한 구조이며, 본 발명에서 제시하는 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 열전발전 분야에 용이하게 사용될 수 있다.As described above, in the method for producing an organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention, a bulk organic / inorganic hybrid thermoelectric material (Bi 2 Te 3 - polymer) can be obtained through Bi 2 Te 3 which can be sintered at a low temperature As a manufacturing method, it provides superior compatibility with existing thin film type organic / inorganic composite thermoelectric materials due to its bulk shape characteristics. Thin film thermoelectric materials can show low thermal conductivity when compared with bulk thermoelectric materials,
Figure pat00003
) Is inversely proportional to the thickness (1) of the material, so that the temperature difference required for the thermoelectric power generation can be rapidly eliminated in the case of the thin film type as compared with the bulk type. Therefore, in the case of the thin film type, it is difficult to apply to the field of thermoelectric power generation and is suitable for the thermoelectric cooling field. The bulk organic-inorganic hybrid thermoelectric material proposed in the present invention can be easily used in the field of thermoelectric power generation.

또한, 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 종래 유기물 및 무기물 간 물리적 결합으로 구성되는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료와는 달리 화학적, 물리적 결합이 공존하는 형태를 가진다. 이러한 화학적, 물리적 결합으로 인하여 재료의 전기적, 열적 특성이 동시에 변화할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 종래 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료보다 우수한 전기적 특성을 가질 수 있으며, 고분자에서의 포논산란으로 인하여 재료의 열전도도가 감소할 수 있으므로 궁극적으로는 열전성능지수가 향상된다.
In addition, the organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention has a form in which chemical and physical bonds coexist unlike conventional organic / inorganic hybrid thermoelectric materials formed by physical bonding between an organic material and an inorganic material. Due to such chemical and physical bonding, the electrical and thermal properties of the material can be changed at the same time. Accordingly, the organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention can have electrical properties superior to conventional organic / inorganic hybrid thermoelectric materials, and the thermal conductivity of the material can be reduced due to phonon scattering in the polymer, The figure of merit improves.

이하, 본 발명의 실시예 및 실험예를 통해 더욱 상세히 설명한다.
Hereinafter, examples and experimental examples of the present invention will be described in more detail.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following Examples and Experimental Examples.

<실시예 1> 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조 1Example 1 Production of organic / inorganic hybrid thermoelectric material 1

단계 1: 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT)이 분산된 분산용액을 90 ℃의 온도에서 3 시간 동안의 중탕을 통하여 고분자 분산용매를 증발시켜 고분자 건조물을 얻고 이를 분쇄하여 고분자 분말을 준비하였다.
Step 1: The dispersion solution in which poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) is dispersed is evaporated through a hot water bath at 90 DEG C for 3 hours A polymer powder was prepared by obtaining a dried polymer product and pulverizing it.

단계 2: Bi 및 Te를 질산 수용액에 용해시켜 Bi-Te 수화물을 형성시키고 이를 건조한 후 350 ℃의 온도 및 수소 분위기에서 6 시간 동안 가열하여 Bi2Te3 분말을 제조하였다.
Step 2: dissolving the Bi and Te in a nitric acid aqueous solution to form a Bi-Te hydrate and heated after drying at a temperature and a hydrogen atmosphere at 350 ℃ 6 hours to prepare a Bi 2 Te 3 powder.

단계 3: 상기 단계 1 및 단계 2에서 제조된 고분자(PEDOT) 분말 및 Bi2Te3 분말을 혼합하여 Bi2Te3/고분자(Bi2Te3/PEDOT) 혼합물 분말을 제조하였으며, 고분자 분말을 Bi2Te3 분말 대비 5 중량% 수준으로 중량을 조절하였다.
Step 3: Bi 2 Te 3 / polymer (Bi 2 Te 3 / PEDOT) mixture powder was prepared by mixing the polymer (PEDOT) powder and Bi 2 Te 3 powder prepared in steps 1 and 2, 2 &lt; / RTI &gt; Te 3 powder.

단계 4: 상기 단계 3에서 제조된 Bi2Te3/고분자 혼합물 분말을 방전 플라즈마법으로 350 ℃의 온도에서 5 분 동안 소결하였다.Step 4: The Bi 2 Te 3 / polymer blend powder prepared in step 3 was sintered at 350 ° C. for 5 minutes by the discharge plasma method.

상기 방전 플라즈마 소결 공정 시, 그래파이트 몰드에 분말을 장입하여 원기둥 모양의 벌크 형태 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료(Bi2Te3-PEDOT)를 제조하였다.
In the discharge plasma sintering process, powder was charged into a graphite mold to prepare a cylindrical bulk organic-inorganic hybrid thermoelectric material (Bi 2 Te 3 -PEDOT).

<실시예 2> 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조 2Example 2: Production of organic / inorganic hybrid thermoelectric material 2

상기 실시예 1의 단계 3에서 고분자 분말을 Bi2Te3 분말 대비 2.5 중량% 수준으로 중량을 조절한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료(Bi2Te3-PEDOT)를 제조하였다.
Inorganic hybrid thermoelectric material (Bi 2 Te 3 - 2) was prepared in the same manner as in Example 1, except that the weight of the polymer powder was adjusted to 2.5% by weight of the Bi 2 Te 3 powder in the step 3 of Example 1, PEDOT).

<실시예 3> 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조 3&Lt; Example 3 > Production of organic / inorganic hybrid thermoelectric material 3

상기 실시예 1의 단계 1에서 고분자로 폴리아닐린(polyaniline)을 준비하여 폴리아닐린 분말을 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료(Bi2Te3-polyaniline)를 제조하였다.
An organic / inorganic hybrid thermoelectric material (Bi 2 Te 3 -polyaniline) was prepared in the same manner as in Example 1 except that polyaniline was prepared as a polymer in step 1 of Example 1 and polyaniline powder was used .

<실시예 4> 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조 3Example 4: Production of organic / inorganic hybrid thermoelectric material 3

상기 실시예 3의 단계 3에서 고분자 분말을 Bi2Te3 분말 대비 2.5 중량% 수준으로 중량을 조절한 것을 제외하고 상기 실시예 3과 동일하게 수행하여 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료(Bi2Te3-polyaniline)를 제조하였다.
Inorganic hybrid thermoelectric material (Bi 2 Te 3 - 2) was obtained in the same manner as in Example 3, except that the weight of the polymer powder was adjusted to 2.5% by weight of the Bi 2 Te 3 powder in the step 3 of Example 3, polyaniline.

<실시예 5> 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조 5Example 5 Production of organic / inorganic hybrid thermoelectric material 5

상기 실시예 1의 단계 1에서 고분자로 폴리피롤(polypyrrole)을 준비하여 폴리피롤 분말을 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료(Bi2Te3-polypyrrole)를 제조하였다.
An organic-inorganic hybrid thermoelectric material (Bi 2 Te 3 -polypyrrole) was prepared in the same manner as in Example 1 except that polypyrrole was prepared as a polymer in Step 1 of Example 1 and polypyrrole powder was used .

<실시예 6> 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조 6Example 6: Production of organic / inorganic hybrid thermoelectric material 6

상기 실시예 5의 단계 3에서 고분자 분말을 Bi2Te3 분말 대비 2.5 중량% 수준으로 중량을 조절한 것을 제외하고 상기 실시예 5와 동일하게 수행하여 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료(Bi2Te3-polypyrrole)를 제조하였다.
Inorganic hybrid thermoelectric material (Bi 2 Te 3 - 2) was prepared in the same manner as in Example 5, except that the weight of the polymer powder was adjusted to 2.5% by weight of the Bi 2 Te 3 powder in the step 3 of Example 5, polypyrrole.

<비교예 1> &Lt; Comparative Example 1 &

단계 1: Bi 및 Te를 질산 수용액에 용해시켜 Bi-Te 수화물을 형성시키고 이를 건조한 후 350 ℃의 온도 및 수소 분위기에서 6 시간 동안 가열하여 Bi2Te3 분말을 제조하였다.
Step 1: prepare a Bi 2 Te 3 and Bi powder was dissolved by heating in Bi-Te form a hydrate and this temperature and hydrogen atmosphere at 350 ℃ dried for 6 hours to Te in an aqueous nitric acid solution.

단계 2: 상기 단계 2에서 제조된 Bi2Te3 분말을 방전 플라즈마법으로 350 ℃의 온도에서 5 분 동안 소결하였다.Step 2: The Bi 2 Te 3 powder prepared in the step 2 was sintered at 350 ° C. for 5 minutes by a discharge plasma method.

상기 방전 플라즈마 소결 공정 시, 그래파이트 몰드에 분말을 장입하여 원기둥 모양의 벌크 형태 Bi2Te3 열전 재료를 제조하였다.
In the discharge plasma sintering process, powder was charged into a graphite mold to prepare a cylindrical bulk type Bi 2 Te 3 thermoelectric material.

<실험예 1> X-선 회절 분석Experimental Example 1 X-ray diffraction analysis

본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 결정구조를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 내지 6에서 제조된 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료(Bi2Te3-PEDOT, Bi2Te3-polyaniline, Bi2Te3-polypyrrole) 및 비교예 1의 Bi2Te3 열전재료의 X-선 회절 분석(XRD, Rigaku, D/MAX-2500)을 수행하였으며, 그 결과를 도 3 내지 5에 나타내었다.
In order to confirm the crystal structure of the organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention, the bulk organic-inorganic hybrid thermoelectric materials (Bi 2 Te 3 -PEDOT, Bi 2 Te 3 -polyaniline , Bi 2 Te 3 -polypyrrole) and the Bi 2 Te 3 thermoelectric material of Comparative Example 1 were subjected to X-ray diffraction analysis (XRD, Rigaku, D / MAX-2500) .

도 3 내지 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료들은 순수한 Bi2Te3와 같은 롬보히드럴(rhombohedral, 능면체) 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다. 특히, 고분자 주입량에 따라 27.5 ° 부근에서 나타나는 주 피크가 이동하는 것을 관찰할 수 있다. 이는 고분자의 일부 원소가 Bi2Te3와 화학적으로 반응을 일으켰다는 것을 의미하며 이를 통해 재료의 물성(전기적, 열적 특성) 변화를 예측할 수 있다.
As shown in FIGS. 3 to 5, it can be confirmed that the organic-inorganic hybrid thermoelectric materials according to the present invention have a rhombohedral structure such as pure Bi 2 Te 3 . Particularly, it can be observed that the main peak appearing at about 27.5 DEG moves depending on the amount of polymer injected. This means that some of the elements of the polymer chemically react with Bi 2 Te 3 , which can predict changes in the physical properties (electrical and thermal properties) of the material.

<실험예 2> 광학현미경 관찰<Experimental Example 2> Observation under an optical microscope

본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 표면 형상 및 밀도를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 5에서 제조된 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료(Bi2Te3-PEDOT, Bi2Te3-polyaniline, Bi2Te3-polypyrrole) 및 비교예 1의 Bi2Te3 열전재료를 광학현미경(OM, Nikkon, Eclips 90i)으로 관찰하였고 아르키메데스법을 통해 밀도를 측정하였으며, 그 결과를 도 6 및 하기 표 1에 나타내었다.
In order to confirm the surface shape and density of the organic / inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention, the bulk organic / inorganic hybrid thermoelectric material (Bi 2 Te 3 - PEDOT, Bi 2 Te 3 -polyaniline, Bi 2 Te 3 -polypyrrole) and the Bi 2 Te 3 thermoelectric material of Comparative Example 1 were observed with an optical microscope (OM, Nikkon, Eclips 90i) and the density was measured by the Archimedes method. The results are shown in Fig. 6 and Table 1 below.

도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료들은 순수한 Bi2Te3 열전재료인 비교예 1과 비교하였을 때, 표면에서 고분자인 것으로 예상되는 형상들을 관찰할 수 있었다. As shown in FIG. 6, the organic / inorganic hybrid thermoelectric materials according to the present invention were observed to have shapes expected to be polymers on the surface as compared with Comparative Example 1 which is a pure Bi 2 Te 3 thermoelectric material.

또한, 본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료들에서 사용된 세 가지 고분자들의 밀도가 약 1 g/cm3 수준(Bi2Te3의 밀도 대비 약 1/7 수준, 표 1 참조)이므로, 표 1에 나타낸 바와 같이, 고분자가 주입된 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 밀도는 순수한 Bi2Te3 열전재료보다 감소한 것을 확인할 수 있었다. 고분자들이 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료 내에서 포논산란 작용을 할 수 있고, 또한, 밀도를 낮추었으므로 해당 재료의 열전도도가 낮아질 것을 예상할 수 있다.
In addition, since the density of the three polymers used in organic / inorganic hybrid thermoelectric materials according to the present invention is about 1 g / cm 3 (about 1/7 of the density of Bi 2 Te 3 , see Table 1) As shown in Fig. 1, it was confirmed that the density of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material into which the polymer was injected was smaller than that of the pure Bi 2 Te 3 thermoelectric material. It can be expected that the polymers can perform phonon scattering action in the organic / inorganic hybrid thermoelectric material and the thermal conductivity of the material is lowered because the density is lowered.

비교예 1
(Bi2Te3)
Comparative Example 1
(Bi 2 Te 3 )
Bi2Te3-고분자 유무기 하이브리드 열전재료Bi 2 Te 3 - Hybrid Thermoelectric Materials
PEDOT (중량%)PEDOT (% by weight) 폴리아닐린 (중량%)Polyaniline (% by weight) 폴리피롤 (중량%)Polypyrrole (% by weight) 2.52.5 5.05.0 2.52.5 5.05.0 2.52.5 5.05.0 밀도
(g/cm3)
density
(g / cm 3)
7.7197.719 6.3626.362 5.7835.783 6.6476.647 6.1436.143 6.5506.550 6.4666.466

<실험예 3> 열전특성 측정&Lt; Experimental Example 3 > Measurement of thermoelectric property

본 발명에 따른 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 열전특성을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1, 실시예 3 및 실시예 5에서 제조된 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료(Bi2Te3-PEDOT, Bi2Te3-polyaniline, Bi2Te3-polypyrrole) 및 비교예 1의 Bi2Te3 열전재료의 전기특성 측정(electrical property measurement, Linseis, LSR-3)과 레이저 플레쉬 분석(LFA, Netzsch, LFA447)을 이용하여 전기저항(ρ), 제벡계수(α), 열전도도(κ)를 측정하고, 그 결과를 도 7 내지 10에 나타내었으며, 이를 바탕으로 열전성능지수를 계산하여 도 11에 나타내었다.
In order to confirm the thermoelectric properties of the organic-inorganic hybrid thermoelectric material according to the present invention, the bulk organic-inorganic hybrid thermoelectric material (Bi 2 Te 3 -PEDOT, manufactured by the above-described Example 1, Example 3, Electrical properties measurement (Linseis, LSR-3) and laser flash analysis (LFA, Netzsch, LFA447) of Bi 2 Te 3 -polyaniline, Bi 2 Te 3 -polypyrrole and Comparative Example 1 Bi 2 Te 3 thermoelectric materials The results are shown in Figs. 7 to 10, and the thermoelectric performance index was calculated based on the results. The results are shown in Fig. 11 .

도 7 내지 10에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료들은 순수한 Bi2Te3와 비교하였을 때 전기저항, 제벡계수, 열전도도가 모두 변화하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 고분자 주입으로 인해 나타난 열전재료의 화학적, 물리적 변화(Bi2Te3와 고분자 구성원소 간 화학반응, 밀도 감소, 고분자의 포논산란 작용) 때문이라고 할 수 있다. 전기저항과 제벡계수를 동시에 반영하는 역률(power factor, α2/ρ)은 고분자 주입으로 인해 순수한 Bi2Te3 열전재료 대비 30 % 내지 50 % 수준으로 낮아졌지만, 종래 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료에 비해서는 높은 수치를 제공한다.As shown in FIGS. 7 to 10, it was observed that the bulk organic-inorganic hybrid thermoelectric materials according to the present invention exhibited a change in electrical resistance, Seebeck coefficient, and thermal conductivity when compared with pure Bi 2 Te 3 . This can be attributed to the chemical and physical change of the thermoelectric material due to the polymer injection (the chemical reaction between Bi 2 Te 3 and the constituent elements of the polymer, the density reduction, and the phonon scattering effect of the polymer). The power factor (α 2 / ρ), which reflects both the electrical resistance and the Seebeck coefficient, has been lowered to 30% to 50% of the pure Bi 2 Te 3 thermoelectric material due to polymer injection. However, It provides a higher value compared to.

열전도도는 순수한 Bi2Te3 열전재료 대비 50 % 내지 60 % 수준으로 낮아진 것을 확인할 수 있었다. 열전도도의 경우, 50 ℃ 내지 300 ℃의 온도에서 1.0 Wm-1K-1 보다 낮은 열전도도를 보이고, 특히 폴리피롤(polyprrole) 및 폴리아닐린(polyaniline)이 사용된 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 50 ℃ 내지 150 ℃의 온도에서 0.75 Wm-1K-1 수준의 열전도도를 나타내었다.
It was confirmed that the thermal conductivity decreased to 50% to 60% of the pure Bi 2 Te 3 thermoelectric material. In the case of thermal conductivity, thermal conductivity is lower than 1.0 Wm -1 K -1 at a temperature of 50 ° C to 300 ° C. Particularly, an organic / inorganic hybrid thermoelectric material using polypyrrole and polyaniline has a thermal conductivity And showed a thermal conductivity of 0.75 Wm -1 K -1 at a temperature of 150 ° C.

나아가, 도 11에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료들의 열전성능지수를 살펴보면, 상기 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료들은 50 ℃ 내지 300 ℃의 온도에서 0.4 내지 0.8 수준의 열전성능지수(Figure of merit, ZT)를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 11, the thermoelectric performance index of the bulk organic-inorganic hybrid thermoelectric materials according to the present invention will be described. The bulk organic-inorganic hybrid thermoelectric materials have a thermal conductivity at a temperature of 50 to 300 DEG C, And the figure shows the thermoelectric performance index (figure of merit, ZT) of 0.8.

특히, 폴리피롤(polypyrrole)이 사용된 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 100 ℃ 내지 200 ℃의 온도에서 0.7 이상의 열전성능지수를 나타내었다.
Particularly, the organic / inorganic hybrid thermoelectric material using polypyrrole exhibited a thermoelectric performance index of 0.7 or more at a temperature of 100 to 200 캜.

이와 같이, 본 발명에 따른 벌크 형태의 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료들은 종래 Bi2Te3 및 고분자를 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료에 보다 우수한 열전성능지수를 제공하며 벌크 형태 열전재료의 특성 상 기존 박막형 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료보다 높은 상용성을 제공할 수 있다.As described above, the organic-inorganic hybrid thermoelectric materials in the bulk form according to the present invention provide better thermoelectric performance index to organic / inorganic hybrid thermoelectric materials including Bi 2 Te 3 and polymers in the past, It can provide higher compatibility with the thin film type organic-inorganic hybrid thermoelectric material.

Claims (16)

벌크 형태의 Bi2Te3 및 고분자를 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료.
An organic / inorganic hybrid thermoelectric material including bulk type Bi 2 Te 3 and a polymer.
제1항에 있어서,
상기 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 화학적 결합 및 물리적 결합이 공존하는 형태인 것을 특징으로 하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료.
The method according to claim 1,
Wherein the organic / inorganic hybrid thermoelectric material is a form in which chemical bonding and physical bonding coexist.
제1항에 있어서,
상기 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 롬보히드럴(rhombohedral, 능면체) 구조인 것을 특징으로 하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료.
The method according to claim 1,
Wherein the organic / inorganic hybrid thermoelectric material has a rhombohedral structure. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
상기 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 밀도는 순수한 Bi2Te3 열전재료의 밀도에 비하여 10 % 내지 30 % 낮은 것을 특징으로 하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료.
The method according to claim 1,
Wherein the density of the organic / inorganic hybrid thermoelectric material is 10% to 30% lower than the density of the pure Bi 2 Te 3 thermoelectric material.
제1항에 있어서,
상기 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료는 50 ℃ 내지 300 ℃의 온도 범위에서 사용되는 것을 특징으로 하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료.
The method according to claim 1,
Wherein the organic / inorganic hybrid thermoelectric material is used in a temperature range of 50 占 폚 to 300 占 폚.
제1항에 있어서,
상기 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene)) 및 이들의 유도체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종의 공액 고분자(conjugated polymer)인 것을 특징으로 하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료.
The method according to claim 1,
The polymer may be selected from the group consisting of poly (3,4-ethylenedioxythiophene), polyaniline, polypyrrole, polyparaphenylene, polyphenylenevinylene Wherein the thermoelectric material is a conjugated polymer selected from the group consisting of poly (3-hexylthiophene), poly (3-hexylthiophene) and derivatives thereof.
고분자 분말을 준비하는 단계(단계 1);
Bi-Te 수화물을 기상환원시켜 Bi2Te3 분말을 제조하는 단계(단계 2);
상기 단계 1 및 단계 2에서 제조된 고분자 분말 및 Bi2Te3 분말을 혼합하여 Bi2Te3/고분자 혼합물 분말을 제조하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 제조된 Bi2Te3/고분자 혼합물 분말을 소결하는 단계(단계 4);를 포함하는 벌크 형태의 Bi2Te3 및 고분자를 포함하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법.
Preparing a polymer powder (step 1);
A step of producing Bi 2 Te 3 powder by gas phase reduction of Bi-Te hydrate (step 2);
(Step 3) of preparing the Bi 2 Te 3 / polymer mixture powder by mixing the polymer powder prepared in steps 1 and 2 and the Bi 2 Te 3 powder; And
And sintering the Bi 2 Te 3 / polymer blend powder prepared in the step 3 (step 4), and a method for producing an organic / inorganic hybrid thermoelectric material including a bulk Bi 2 Te 3 and a polymer.
제7항에 있어서,
상기 단계 1의 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene)) 및 이들의 유도체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종의 공액 고분자(conjugated polymer)인 것을 특징으로 하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The polymer of step 1 may be selected from the group consisting of poly (3,4-ethylenedioxythiophene), polyaniline, polypyrrole, polyparaphenylene, Inorganic hybrid thermoelectric material characterized in that it is a conjugated polymer selected from the group consisting of polyphenylenevinylene, poly (3-hexylthiophene), and derivatives thereof. &Lt; / RTI &gt;
제7항에 있어서,
상기 단계 1에서 고분자 분말의 준비는,
고분자가 분산된 용액의 용매를 증발시켜 고분자 건조물을 얻은 후, 이를 분쇄하여 고분자 분말을 준비하는 것을 특징으로 하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법.
8. The method of claim 7,
In preparation of the polymer powder in the step 1,
A process for producing an organic / inorganic hybrid thermoelectric material, which comprises drying a polymeric dry material by evaporating a solvent of a solution in which a polymer is dispersed, and pulverizing the polymeric dry powder to prepare a polymer powder.
제9항에 있어서,
상기 증발은 50 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 2 시간 내지 5 시간 동안 중탕으로 수행되는 것을 특징으로 하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the evaporation is carried out at a temperature of 50 ° C to 100 ° C for 2 hours to 5 hours with hot water.
제7항에 있어서,
상기 단계 2의 Bi-Te 수화물은 Bi 전구체 및 Te 전구체를 산 수용액에 용해시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the Bi-Te hydrate of step 2 is prepared by dissolving a Bi precursor and a Te precursor in an aqueous acid solution.
제11항에 있어서,
상기 산 수용액은 염산, 질산, 황산 및 왕수로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종의 산을 포함하는 것을 특징으로 하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the acid aqueous solution contains one kind of acid selected from the group consisting of hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid and water.
제7항에 있어서,
상기 단계 2의 기상환원은 수소분위기에서 350 ℃ 내지 450 ℃ 온도에서 5 시간 내지 10 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the gas phase reduction in step (2) is performed in a hydrogen atmosphere at a temperature of 350 ° C to 450 ° C for 5 hours to 10 hours.
제7항에 있어서,
상기 단계 3의 Bi2Te3/고분자 혼합물 분말은 고분자 분말을 Bi2Te3 분말 대비 1 중량% 내지 10 중량% 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the Bi 2 Te 3 / polymer blend powder of step 3 is mixed at a ratio of 1 wt% to 10 wt% relative to the Bi 2 Te 3 powder of the polymer powder.
제7항에 있어서,
상기 단계 4의 소결은 방전 플라즈마법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the sintering of step 4 is performed by a discharge plasma method.
제7항에 있어서,
상기 단계 4의 소결은 300 ℃ 내지 400 ℃의 온도에서 2 분 내지 5 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 유ㆍ무기 하이브리드 열전재료의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the sintering of step 4 is performed at a temperature of 300 ° C to 400 ° C for 2 minutes to 5 minutes.
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