KR20170017214A - Thermoelectric material and a method of manufacturing the zinc oxide is mixed - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a thermoelectric material mixed with oxide and a method of manufacturing the same. The thermoelectric material mixed with oxide is manufactured through a step of forming a Bi_2Te_3_-_xSe_x-ZnO nanocomposite thermoelectric material by mixing and sintering a thermoelectric material powder made of bismuth (Bi), tellurium (Te) and selenium (Se), and zinc oxide (ZnO) nano powder. By 0 <= x <= 3, it is possible to improve the thermoelectric properties of nanocomposite thermoelectric materials by mixing zinc oxide with n-type Bi_2Te_3_-xSe_x thermoelectric materials. In addition, by mixing zinc oxide, the anisotropy of the nanocomposite thermoelectric material is reduced, and a nanocomposite thermoelectric material having homogeneous thermoelectric properties regardless of any regions may be obtained.

Description

산화아연이 혼합된 열전소재 및 그 제조방법 {Thermoelectric material and a method of manufacturing the zinc oxide is mixed}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thermoelectric material and a method of manufacturing the same,

본 발명은 산화아연이 혼합된 열전소재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화아연을 n-type의 Bi2Te3 - xSex 열전소재에 혼합하여 열전특성이 향상된 산화아연이 혼합된 열전소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric material in which zinc oxide is mixed and a method of producing the same, and more particularly, to a thermoelectric material in which zinc oxide is mixed with an n-type Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material, And a method of manufacturing the same.

열전현상(Thermolelectric effect)이란, 열전물질 양단에 온도차가 있으면 기전력이 발생하는 제벡 효과 또는 열전물질의 양단에 전압차를 주어 전류를 흐르게 하면 한쪽의 온도는 하강하는 반면에 다른 쪽의 온도는 상승하는 펠티어 효과 현상을 지칭한다. 열전소재는 이러한 열전현상이 강하게 발생하는 물질을 말하며, 열전소재는 열전특성이 향상될수록 이를 이용해 제조되는 열전소자의 효율이 향상된다.The thermolelectric effect is a phenomenon in which, when there is a temperature difference between thermoelectric materials, the electromotive force is generated, or a voltage difference is applied to both ends of the thermoelectric material to cause a current to flow. On the other hand, Peltier effect phenomenon. The thermoelectric material refers to a substance in which such a thermal transfer phenomenon occurs strongly. The thermoelectric properties of the thermoelectric material improve the efficiency of a thermoelectric device manufactured using the thermoelectric material.

열전성능을 결정하는 열전특성은 열기전력(V), 제벡 계수(S), 펠티어 계수(π), 톰슨 계수(τ), 네른스트 계수(Q), 에팅스하우젠 계수(P), 전기전도도(σ), 출력인자(PF), 성능지수(Z), 무차원 성능지수(ZT), 열전도도(κ), 로렌츠수(L), 전기 저항율(ρ) 등과 같은 물성이다. 그 중 무차원 성능지수(Dimensionaless figure of merit, ZT)는 열전 변환 에너지 효율을 결정하는 중요한 지표로써 다음과 같은 식을 통해 나타낼 수 있다.Thermoelectric properties that determine thermoelectric performance are thermoelectric power (V), Seebeck coefficient (S), Peltier coefficient (π), Thomson coefficient (τ), Nernst coefficient (Q), Etingshausen coefficient (P), electrical conductivity ), An output factor (PF), a figure of merit (Z), a dimensionless figure of merit (ZT), thermal conductivity (κ), Lorentz number (L), electrical resistivity (ρ) Among them, the dimensionless figure of merit (ZT) is an important index to determine the thermoelectric conversion energy efficiency.

ZT=S2/ρκZT = S 2 / ρκ

여기서 T는 절대온도[K], S는 제벡 계수[V/K], ρ는 열전소재의 비저항[Ω×cm], κ는 열전소재의 열전도도[W/mK2] 값을 나타낸다. 이와 같은 식에서 κ를 제외한 부분은 출력인자(Power factor)로서 열전변환특성을 평가할 수 있는 척도이다. ZT 값이 클수록 열전변환특성이 우수하며, ZT는 제벡 계수가 클수록, 비저항과 열전도도가 낮을수록 증가한다. 그러나 이러한 변수들은 모두 열전소재 내부 전자의 거동과 밀접하게 연관되어 있어 서로 독립적으로 조절하기 매우 어렵다.Where T is the absolute temperature [K], S is the Seebeck coefficient [V / K], ρ is the resistivity of the thermoelectric material [Ω × cm], and κ is the thermal conductivity of the thermoelectric material [W / mK 2 ]. In this equation, the part excluding κ is a measure for evaluating the thermoelectric conversion characteristics as a power factor. The larger the ZT value, the better the thermoelectric conversion characteristics. The larger the Zebeck coefficient, the lower the specific resistance and the lower the thermal conductivity. However, all of these variables are closely related to the behavior of the electrons in the thermoelectric materials, making it difficult to control them independently of each other.

한편, 현재까지 연구된 다양한 열전소재들은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 ZT 값이 최대치를 보이는 고유의 온도영역을 가지고 있다. 도 1은 온도영역별로 가장 좋은 열전변환특성을 보이는 n-type 소재 및 무차원 성능지수를 나타낸 그래프이고, 도 2는 p-type 소재 및 무차원 성능지수를 나타낸 그래프이다. 도 1 및 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 상온 부근에서는 n-type의 경우 Bi2Te3가, p-type의 경우 Sb2Te3가 가장 높은 ZT를 나타낸다. 따라서 상온 부근에서 사용할 열전소재는 Bi2Te3와 Sb2Te3를 기반으로 하여 ZT를 극대화하기 위해 이 두 물질의 고용체(Solid solution)인 BixSb2 - xTe3(p-type) 및 Se을 첨가한 Bi2Te3 - ySey(n-type)등 다원계 소재가 개발되어 주로 사용되고 있으며, 이러한 소재들에 요오드(I), 염소(Cl), 브롬(Br), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 등 극미량의 타 원소를 도핑하여 사용하는 경우도 있다.On the other hand, the various thermoelectric materials studied to date have a unique temperature range in which the ZT value shows a maximum value as shown in FIG. 1 and FIG. FIG. 1 is a graph showing an n-type material and a dimensionless performance index showing the best thermoelectric conversion characteristics by temperature region, and FIG. 2 is a graph showing a p-type material and a dimensionless performance index. As can be seen from Figs. 1 and 2, Bi 2 Te 3 is the n-type at room temperature and Sb 2 Te 3 is the highest ZT at the p-type. Therefore, in order to maximize ZT based on Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 , the thermoelectric material to be used at room temperature is Bi x Sb 2 - x Te 3 (p-type), which is a solid solution of these two materials by the addition of Se Bi 2 Te 3 - y Se y (n-type) , such as a multi-element material has been developed and is mainly used, such iodine in the material (I), chlorine (Cl), bromine (Br), copper (Cu ), Silver (Ag), zinc (Zn), cadmium (Cd), and the like.

p-type 소재인 BixSb2 - xTe3의 경우에는 기존의 전통적인 벌크공정 기반 합성법에 의해 나노 스트럭쳐링(Nano structuring) 기술을 도입하여 포논 산란(Phonon scattering) 극대화에 의한 열전도도 감소 효과를 얻음으로써 ZT 값이 최근에 대폭 향상되었다. 대표적인 예로써, "일본 특허청 공개특허 2014-22731호 열전 재료" 및 2008년에 B.Poudel 등이 Science지 320호 P.634 "High-thermoelectric performance of nanostructured bismuth antimony telluride bulk alloys" 논문을 살펴보면, BiSbTe분말을 볼 밀링 기술로 나노분말로 만든 후에 나노분말을 핫 프레싱 법으로 소결하여 ZT=1.4인 BixSb2 - xTe3 열전소재를 합성하였다. 이러한 열전소재는 종래의 한계치로 인식되었던 ZT=1.0을 크게 상회하는 결과이다.In the case of the p-type material Bi x Sb 2 - x Te 3, the nano structuring technique was introduced by the conventional bulk process based synthesis method to reduce the thermal conductivity by maximizing the phonon scattering The ZT value has been greatly improved in recent years. As a representative example, a thermoelectric material of Japanese Patent Publication No. 2014-22731, and B. Poudel et al., Science p. 320, p.634 "High-thermoelectric performance of nanostructured bismuth antimony telluride bulk alloys" in 2008, BiSbTe The powder was made into nano powder by ball milling technique and then the nano powder was sintered by hot pressing method to synthesize Bi x Sb 2 - x Te 3 thermoelectric material with ZT = 1.4. This thermoelectric material is much higher than ZT = 1.0 which was recognized as a conventional limit.

그러나 이에 비해 Bi2Te3 기반의 n-type 소재는 대부분의 연구결과가 ZT<0.8에 머무르고 있어 p-type 소재와의 특성 격차가 크고, p-type 소재처럼 나노 스트럭쳐링을 통해 개선된 특성을 얻는 것이 용이하지 않다. 또한 ZT~1을 얻은 최근 대표적인 연구결과인 X.Yan 등이 2010년에 Nano Letters 10호 P.3373 "Experimental studies on anisotropic thermoelectric properties and structures of n-type Bi2Te2 .7Se0 .3" 이라는 제목으로 발표한 논문에서도 알 수 있듯이, ZT 값을 향상시키기 위해 핫 프레싱을 두 번 실시하는 등 실용화의 가능성이 희박한 방안들이 연구되고 있는 실정이다.On the other hand, the n-type material based on Bi 2 Te 3 has a large gap between the p-type material and the p-type material because most of the research results are in ZT <0.8. It is not easy to obtain. In addition, X.Yan et al., A recent representative study of ZT ~ 1, published Nano Letters No. 10, p.3373 "Experimental studies on anisotropic thermoelectric properties and structures of n-type Bi 2 Te 2 .7 Se 0 .3 " As a result, there are few studies on the possibility of practical use, such as two hot-pressing operations to improve the ZT value.

따라서, 기존의 전통적인 벌크공정 기반 합성법을 크게 변형시키지 않고 손쉽게 실행할 수 있는 실용성 높은 n-type Bi2Te3 계열소재의 열전특성 향상기술이 절실히 요구되고 있다.Therefore, there is a desperate need to improve the thermoelectric properties of n-type Bi 2 Te 3 series material, which can be easily implemented without significantly altering the existing conventional bulk process based synthesis method.

따라서 본 발명의 목적은 산화아연을 n-type의 Bi2Te3 - xSex 열전소재에 혼합하여 열전특성이 향상된 산화아연이 혼합된 열전소재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermoelectric material in which zinc oxide is mixed with an n-type Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material to improve the thermoelectric properties and a method of manufacturing the thermoelectric material.

또한 산화아연을 혼합함에 의해 나노복합열전소재의 이방성이 감소하고, 이를 통해 나노복합열전소재의 부위와 관계없이 균일한 열전특성을 가지는 산화아연이 혼합된 열전소재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a thermoelectric material in which anisotropy of a nanocomposite thermoelectric material is reduced by mixing zinc oxide and mixed with zinc oxide having homogeneous thermoelectric properties irrespective of the portion of the nanocomposite thermoelectric material through the same.

따라서 본 발명의 목적은, 비스무트(Bi), 텔루륨(Te), 셀레늄(Se)으로 이루어진 열전소재 원료분말 및 산화아연(ZnO) 나노분말을 혼합 및 소결하여 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재를 형성하는 단계를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 산화아연이 혼합된 열전소재 제조방법에 의해 달성된다. (0 ≤ x ≤ 3)It is therefore an object of the present invention, bismuth (Bi), tellurium (Te), selenium (Se) and the thermal material raw material powder and zinc oxide (ZnO) nano-oxide powder consisting of a mixture and sintering Bi 2 Te 3 - x Se x - ZnO nanocomposite thermoelectric material to form a ZnO nanocomposite thermoelectric material. (0? X? 3)

여기서, 상기 열전소재 원료분말 및 상기 산화아연 나노분말을 준비하는 단계와; 상기 열전소재 원료분말 및 상기 산화아연 나노분말을 분쇄하여 혼합분말을 형성하는 단계와; 상기 혼합분말을 소결하여 상기 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재를 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.Preparing a thermoelectric material powder and the zinc oxide nano powder; Milling the thermoelectric material powder and the zinc oxide nano powder to form a mixed powder; And sintering the mixed powder to form the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material.

또한, 열전특성의 이방성 감소를 위해 상기 산화아연 나노분말은 상기 열전소재 원료분말을 통해 형성되는 Bi2Te3 - xSex 열전소재에 대해 0.1 내지 5vol.%로 혼합되며, 상기 Bi2Te3-xSex-ZnO 나노복합열전소재의 열전특성을 향상시키면서 상기 산화아연 나노분말이 상기 Bi2Te3-xSex-ZnO 나노복합열전소재의 결정립 성장(Grain growth)을 제어할 수 있도록 상기 열전소재 원료분말은 200nm 이하의 직경으로 분쇄되는 것이 바람직하며, 상기 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재의 미세구조(Microstructure)가 조밀해질 수 있도록 상기 산화아연 나노분말은 10 내지 50nm의 직경을 가지는 것이 바람직하다.Also, in order to reduce anisotropy of the thermoelectric properties, the zinc oxide nano powder is mixed at 0.1 to 5 vol.% With respect to the Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material formed through the thermoelectric material powder, and the Bi 2 Te 3 -x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material and the zinc oxide nanopowder is controlled so that the grain growth of the Bi 2 Te 3-x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material can be controlled, Preferably, the thermoelectric raw material powder is pulverized to a diameter of 200 nm or less, and the zinc oxide nano powder is dispersed in the range of 10 to 100 nm so that the microstructure of the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material can be dense. It is preferable to have a diameter of 50 nm.

상기한 목적은 또한, 비스무트(Bi), 텔루륨(Te), 셀레늄(Se)으로 이루어진 열전소재 원료분말 및 산화아연(ZnO) 나노분말을 혼합 및 소결하여 얻어진 Bi2Te3 -xSex-ZnO 나노복합열전소재인 것을 특징으로 하는 산화아연이 혼합된 열전소재에 의해서도 달성된다. (0 ≤ x ≤ 3)The above-mentioned object is also achieved by a method for producing a Bi 2 Te 3- x Se x -type single crystal obtained by mixing and sintering a raw material for thermoelectric material consisting of bismuth (Bi), tellurium (Te) and selenium (Se) ZnO nanocomposite thermoelectric material, and the ZnO nanocomposite thermoelectric material. (0? X? 3)

상술한 본 발명의 구성에 따르면 산화아연을 n-type의 Bi2Te3 - xSex 열전소재에 혼합하여 나노복합열전소재의 열전특성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.According to the structure of the present invention described above, zinc oxide can be mixed with an n-type Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material to improve the thermoelectric properties of the nanocomposite thermoelectric material.

또한 산화아연을 혼합함에 의해 나노복합열전소재의 이방성이 감소하고, 이를 통해 부위와 관계없이 균일한 열전특성을 가지는 나노복합열전소재를 얻을 수 있다.Also, by mixing zinc oxide, the anisotropy of the nanocomposite thermoelectric material is reduced, and thus, a nanocomposite thermoelectric material having homogeneous thermoelectric properties regardless of the region can be obtained.

도 1은 온도영역별로 가장 좋은 열전변환특성을 보이는 n-type 소재 및 무차원 성능지수를 나타낸 그래프이고,
도 2는 온도영역별로 가장 좋은 열전변환특성을 보이는 p-type 소재 및 무차원 성능지수를 나타낸 그래프이고,
도 3은 열전소재의 압축소결시 방향을 정의하는 도면이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재의 c축에 대해 수평 방향으로의 제벡계수를 나타낸 그래프이고,
도 5는 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재의 c축에 대해 수직 방향으로의 제벡계수를 나타낸 그래프이고,
도 6은 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재의 c축에 대해 수평 방향으로의 열전도도를 나타낸 그래프이고,
도 7은 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재의 c축에 대해 수직 방향으로의 열전도도를 나타낸 그래프이고,
도 8은 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재의 c축에 대해 수평 방향으로의 무차원 성능지수를 나타낸 그래프이고,
도 9는 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재의 c축에 대해 수직 방향으로의 무차원 성능지수를 나타낸 그래프이고,
도 10은 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재의 무차원 성능지수의 이방성을 나타낸 그래프이고,
도 11은 Bi2Te3 - xSex 열전소재의 단면을 주사전자현미경으로 촬영한 사진이고,
도 12는 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재의 단면을 주사전자현미경으로 촬영한 사진이고,
도 13은 Bi2Te3 - xSex 열전소재와 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재의 압축파괴강도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a graph showing an n-type material and a dimensionless performance index showing the best thermoelectric conversion characteristics by temperature region,
FIG. 2 is a graph showing a p-type material and a dimensionless performance index showing the best thermoelectric conversion characteristics in each temperature region,
3 is a view for defining the direction of compression and sintering of the thermoelectric material,
FIG. 4 is a graph showing the bending coefficient in the horizontal direction with respect to the c-axis of the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material according to the embodiment of the present invention,
5 is a graph showing the Seebeck coefficient in the direction perpendicular to the c axis of the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material,
6 is a graph showing the thermal conductivity of the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material in the horizontal direction with respect to the c axis,
7 is a graph showing the thermal conductivity of the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material in a direction perpendicular to the c axis,
8 is a graph showing the dimensionless figure of merit in the horizontal direction with respect to the c axis of the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material,
9 is a graph showing the dimensionless figure of merit in a direction perpendicular to the c axis of the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material,
10 is a graph showing anisotropy of the dimensionless figure of merit of the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material,
11 is a photograph of a section of Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material taken by a scanning electron microscope,
12 is a photograph of a cross section of a Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material taken by a scanning electron microscope,
FIG. 13 is a graph comparing compressive fracture strengths of the Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material and the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 산화아연이 혼합된 열전소재 및 그 제조방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a thermoelectric material in which zinc oxide is mixed according to an embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the drawings.

먼저, Bi2Te3 - xSex 열전소재 원료분말 및 ZnO 나노분말을 준비한다.First, Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material powder and ZnO nano powder are prepared.

본 발명에서는 Bi2Te3 - xSex 열전소재를 이용하며, 이와 같은 열전소재를 제조하기 위해 비스무트(Bi), 텔루륨(Te), 셀레늄(Se) 열전소재 원료분말을 준비한다. 원료분말의 순도는 일반적으로 99.99% 이상인 것을 사용하며, 순도가 높을수록 최종 열전소재의 열전변환특성이 개선된다. Bi2Te3-xSex 열전소재는 통상적인 분말(Powder) 형태, 멜트 스피닝(Melt spinning) 등의 방법으로 형성된 플레이크(Flake) 형태, 플레이트(Plate) 형태 등이 될 수 있으며, 형태는 특별히 한정되지 않는다. 경우에 따라서 Bi2Te3 - xSex 열전소재의 특성을 증가시키기 위하여 안티몬(Sb), 요오드(I), 염소(Cl), 브롬(Br), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 및 이의 혼합으로 이루어진 원소를 더 첨가할 수 있다.Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material is used in the present invention. Bismuth (Bi), tellurium (Te), and selenium (Se) thermoelectric material powders are prepared in order to produce such thermoelectric materials. The purity of the raw material powder is generally 99.99% or more, and the higher the purity, the better the thermoelectric conversion characteristics of the final thermoelectric material. The Bi 2 Te 3-x Se x thermoelectric material can be in the form of a powder, a plate, or the like formed by a powder method or a melt spinning method, It is not limited. In order to increase the properties of Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric materials, antimony (Sb), iodine (I), chlorine (Cl), bromine (Br), copper (Cu) (Au), zinc (Zn), cadmium (Cd), and a mixture thereof.

산화아연(ZnO) 나노분말(Nanopowder)은 순도 99% 이상이며, 직경이 10 내지 50nm인 것이 바람직하다. 산화아연 나노분말의 직경이 10nm 미만일 경우 산화아연 나노 분말이 응집하기 쉬우며, 50nm을 초과할 경우 분말의 크기가 커 Bi2Te3 - xSex 열전소재와 원활하게 혼합되기 어려울 수 있다. 뿐만 아니라 분말의 크기가 커 열전소재의 미세구조(Microstructure)가 조밀해지기 어렵다.이와 같은 산화아연 나노분말의 가장 바람직한 평균 직경은 14nm이다.The zinc oxide (ZnO) nanopowder preferably has a purity of 99% or more and a diameter of 10 to 50 nm. When the diameter of the zinc oxide nano powder is less than 10 nm, the zinc oxide nano powder tends to aggregate. When the diameter exceeds 50 nm, the size of the powder may be too large to be smoothly mixed with the Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material. In addition, the size of the powder is large, and the microstructure of the thermoelectric material is hard to be dense. The most preferable average diameter of the zinc oxide nanopowder is 14 nm.

열전소재 원료분말 및 산화아연 나노분말을 혼합 및 분쇄하여 혼합분말을 형성한다.The raw material powder for thermoelectric material and the zinc oxide nano powder are mixed and pulverized to form a mixed powder.

Bi2Te3 - xSex 열전소재 원료분말인 Bi, Te, Se와 ZnO 나노분말을 혼합한 후 원료분말들이 원하는 직경을 갖도록 분쇄한다. 본 발명에서는 Planetary ball miller(PM-100, Retsch Inc.)에 Bi, Te, Se, ZnO 나노분말을 화학정량비(Stoichiometry)에 맞춰 각각 정량하여 혼합한 후, 혼합된 분말이 담긴 통에 직경 9.5mm의 스테인레스 스틸 볼을 함께 넣고 300rpm으로 2시간 동안 회전시켜 평균 직경이 200nm 이하가 되도록 분쇄한다. 여기서 원료분말의 평균 직경이 200nm 이하일 경우 포논 산란(Phonon scattering)에 의한 열전도도 감소 효과를 극대화할 수 있으며, 산화아연 나노분말이 Bi2Te3 - xSex 열전소재의 입계(Grain boundary)에 위치하여 이후 소결과정에서 결정립 성장(Grain growth)을 제어하기 용이하다.Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material After mixing raw material powders Bi, Te, Se and ZnO nano powder, the raw material powders are pulverized to have a desired diameter. In the present invention, Bi, Te, Se, and ZnO nano powders were each quantitatively mixed with a planetary ball miller (PM-100, Retsch Inc.) in accordance with the stoichiometry, mm of stainless steel balls are put together and rotated at 300 rpm for 2 hours to be pulverized so as to have an average diameter of 200 nm or less. In this case, when the average diameter of the raw material powder is 200 nm or less, the effect of decreasing the thermal conductivity by phonon scattering can be maximized, and the zinc oxide nano powder can be added to the grain boundary of the Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material And it is easy to control the grain growth in the subsequent sintering process.

Bi2Te3 - xSex 열전소재의 경우 x가 0.10 내지 0.30인 것이 바람직한데, 이 이외의 범위에서도 혼합 비율이 특별히 제한되지는 않는다. 가장 바람직한 몰분율은 x ~ 0.15이며, 본 발명에서는 x = 0.15가 되도록 열전소재를 합성한다.In the case of the Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material, it is preferable that x is 0.10 to 0.30, but the mixing ratio is not particularly limited even in the other ranges. The most preferable molar fraction is x to 0.15, and in the present invention, a thermoelectric material is synthesized so that x = 0.15.

ZnO 나노분말은 Bi2Te3 - xSex 열전소재에 대하여 0.1 내지 5vol.%로 혼합하는 것이 바람직하다. ZnO 나노분말이 0.1vol.% 미만 혼합될 경우 나노분말의 첨가에 의한 효과가 거의 나타나지 않으며, 5vol.%를 초과할 경우 도핑 수준을 넘어서서 열전효율이 오히려 감소하게 된다. 또한 5vol.%를 초과하더라도 이방성이 더 이상 낮아지지 않는다. 가장 바람직한 혼합비는 ZnO 나노분말이 0.5vol.% 혼합되는 것이다.It is preferable that the ZnO nano powder is mixed at 0.1 to 5 vol.% With respect to the Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material. When the ZnO nanopowder is mixed with less than 0.1 vol.%, The effect of the addition of the nano powder is hardly exhibited. If the ZnO nanopowder exceeds 5 vol.%, The thermoelectric efficiency is lowered beyond the doping level. In addition, anisotropy is not lowered even if it exceeds 5 vol.%. The most preferable mixing ratio is 0.5% by volume of ZnO nanopowder mixed.

혼합분말을 소결하여 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재를 형성한다.The mixed powder is sintered to form a Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material.

Bi2Te3 - xSex 열전소재와 ZnO 나노분말이 혼합된 혼합분말을 소결(Sintering)하여 최종적으로 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재를 합성한다. 본 발명에서는 혼합분말을 그래파이트 몰드에 넣고 비활성 기체 분위기 및 400℃ 내지 500℃에서 30 내지 300MPa 압력을 가하면서 스파크 플라즈마 소결법(Spark plasma sintering) 또는 핫 프레싱(Hot pressing) 등 다양한 방법을 통해 소결한다. 여기서 소결은 5 내지 20분 동안 이루어지는데, 소결 시간이 5분 미만일 경우 열전특성이 균일한 열전소재를 얻기 힘드며, 20분을 초과할 경우 열전소재에 변형이 발생할 수 있다. 여기서 가장 바람직한 소결 시간은 10분이다. 소결 압력의 경우 30MPa 미만일 경우 압축이 제대로 되지 않아 혼합분말 간에 접촉이 힘들어지며, 300MPa를 초과할 경우 소재에 가해지는 힘이 커 크랙이 발생할 수 있다.Synthesis of Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric materials is finally achieved by sintering mixed powder of Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material and ZnO nano powder. In the present invention, the mixed powder is sintered by various methods such as spark plasma sintering or hot pressing while injecting the mixed powder in an inert gas atmosphere and a pressure of 30 to 300 MPa at 400 to 500 ° C. Here, sintering is performed for 5 to 20 minutes. When the sintering time is less than 5 minutes, it is difficult to obtain a thermoelectric material having a uniform thermoelectric property. If the sintering time is more than 20 minutes, deformation may occur in the thermoelectric material. Here, the most preferable sintering time is 10 minutes. When the sintering pressure is less than 30 MPa, compression is difficult due to insufficient compression, and when the pressure exceeds 300 MPa, cracks may occur due to a large force applied to the material.

소결 중 기체에 의한 부 반응(Side reaction)이 발생하지 않도록 비활성 기체 분위기 하에서 이루어지는데, 비활성 기체는 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He), 네온(Ne), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.The inert gas is argon (Ar), nitrogen (N 2 ), helium (He), neon (Ne), krypton (Kr) , Xenon (Xe), radon (Rn), and mixtures thereof.

일반적인 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 소결시 압력이 가해지는 방향을 c방향이라고 하면 c방향과 이에 수직한 방향으로 열전특성이 동일하지 않은 이방성을 갖게 된다. 하지만 본 발명은 열전소재 원료분말과 함께 ZnO 나노분말이 혼합되며, 이에 의해 이방성이 감소하게 된다.In general, as shown in FIG. 3, if the direction of the pressure applied during sintering is the direction c, the anisotropic property is not the same in the c direction and the direction perpendicular thereto. However, in the present invention, the ZnO nano powder is mixed with the thermoelectric material powder, thereby reducing the anisotropy.

이와 같은 단계들을 거쳐 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재를 합성하면 ZnO 나노분말이 주로 입계(Grain boundary)에 위치하면서 열전도도를 감소시키게 된다. 이와 동시에 제벡계수가 상승하여 결과적으로 열전변환특성이 향상된다. 도 4 내지 도 7은 본 발명에서 합성한 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재의 제벡계수가 열전도도를 소결시 압축방향에 따라 도시한 결과이다. When the Bi 2 Te 3 - x Se x - ZnO nanocomposite thermoelectric material is synthesized through these steps, the ZnO nano powder is mainly located at the grain boundaries and the thermal conductivity is decreased. At the same time, the Seebeck coefficient is increased and the thermoelectric conversion characteristic is improved as a result. FIGS. 4 to 7 show the results of Seebeck coefficient of the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material synthesized in the present invention according to the compression direction during thermal sintering.

도 4는 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재에 혼합된 ZnO의 부피비를 0%, 0.2%, 0.5%, 1%로 하였을 때 제벡계수 값을 나타낸 것으로, 압축 방향인 c축과 평행한 방향으로 제벡계수를 측정한 결과이다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 ZnO를 0.5%로 열전소재에 혼합하였을 때 제벡계수 값이 가장 높은 것을 알 수 있다.FIG. 4 shows the values of the Seebeck coefficient when the volume ratio of ZnO mixed in the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material is 0%, 0.2%, 0.5% and 1% The results are shown in Fig. As can be seen from the graph, when the ZnO is mixed with the thermoelectric material at 0.5%, the value of the Seebeck coefficient is the highest.

도 5는 압축 방향인 c축과 수직한 방향으로 제벡계수를 측정한 결과 그래프이다. 수직한 방향도 평행한 방향과 마찬가지로 ZnO 나노분말이 0.5%로 혼합된 Bi2Te3-xSex-ZnO 나노복합열전소재의 제벡계수가 가장 높았으며, 전체적인 양상이 c축과 평행한 그래프와 비슷하게 나타나는 것을 알 수 있다.5 is a graph showing the result of measuring the Seebeck coefficient in a direction perpendicular to the c axis which is the compression direction. A vertical direction similarly as the direction parallel to the ZnO nano-powder was a Bi 2 Te 3-x Se x -ZnO was the highest Seebeck coefficient of the thermoelectric nanocomposite material mixed with 0.5%, and the overall pattern parallel to the c-axis graphs and It can be seen that they are similar.

도 6은 ZnO 나노분말의 혼합비에 따른 나노복합열전소재의 열전도도를 나타낸 것으로, c축과 평행한 방향으로 열전도도를 측정했을 경우 ZnO 나노분말이 1.0% 혼합된 것이 열전도도가 가장 낮을 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 ZnO 나노분말의 혼합비가 증가할수록 열전도도가 감소한다는 것을 알 수 있다.FIG. 6 shows the thermal conductivity of the nanocomposite thermoelectric material according to the mixing ratio of ZnO nano powder. When the thermal conductivity is measured in the direction parallel to the c-axis, 1.0% of the ZnO nanopowder mixture shows the lowest thermal conductivity . It can be seen that the thermal conductivity decreases as the mixing ratio of ZnO nano powder increases.

도 7은 c축과 수직한 방향으로 열전도도를 측정한 그래프로, 도 6과 마찬가지로 ZnO 나노분말이 1.0% 혼합된 것이 열전도도가 가장 낮은 것을 확인할 수 있었다. 또한 전체적인 그래프 양상이 도 6과 비슷하게 나타났다.FIG. 7 is a graph showing the thermal conductivity measured in a direction perpendicular to the c-axis. As shown in FIG. 6, 1.0% of ZnO nanopowder was mixed with the lowest thermal conductivity. Also, the overall graphical appearance is similar to Fig.

도 8 및 도 9는 c축에 대해 수직한 방향 및 평행한 방향에 대한 무차원 성능지수(ZT)를 나타낸 것으로, 무차원 성능지수는 제벡계수 및 열전도도를 통해 계산된 값이다. 여기서 c축과 수직한 방향으로는 무차원 성능지수가 4.8% 증가함에 비해, c축과 평행한 방향으로는 최대 21.9%가 증가하였다.Figs. 8 and 9 show the dimensionless figure of merit (ZT) with respect to the direction perpendicular to the c-axis and the parallel direction, and the dimensionless figure of merit is calculated through the Seebeck coefficient and the thermal conductivity. In the direction perpendicular to the c-axis, the dimensionless figure of merit increased by 4.8%, while the direction parallel to the c-axis increased by 21.9%.

도 10은 무차원 성능지수를 통해 나노복합열전소재의 이방성을 확인한 그래프로, c축과 수직한 방향의 무차원 성능지수에서 c축과 평행한 무차원 성능지수 값을 뺀 값을 계산한 결과이다. 그래프를 보면 확인할 수 있듯이 ZnO 나노분말이 포함되지 않은 소재의 경우 이방성이 큰 것에 비해 ZnO 나노분말이 포함된 나노복합열전소재의 경우 이방성이 매우 낮은 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 ZnO 나노분말이 혼합될 경우 나노복합열전소재의 이방성을 감소시킨다는 것을 증명할 수 있다.10 is a graph showing anisotropy of the nanocomposite thermoelectric material through the dimensionless figure of merit, which is a result obtained by subtracting the dimensionless figure of merit parallel to the c-axis from the dimensionless figure of merit in the direction perpendicular to the c-axis . As can be seen from the graph, the anisotropy of the nanocomposite thermoelectric material containing ZnO nanopowder is very low, whereas the anisotropy of the nanocomposite thermoelectric material containing ZnO nano powder is very low. This demonstrates that mixing of ZnO nanoparticles reduces the anisotropy of nanocomposite thermoelectric materials.

도 11은 ZnO 나노분말을 첨가하지 않은 Bi2Te2 .7Se0 .3 열전소재 단면을 전자현미경으로 관찰한 사진으로, 열전소재의 구조가 조밀하지 않은 것을 확인할 수 있다. 이에 비해 도 12는 ZnO 나노분말을 첨가한 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재를 전자현미경으로 관찰한 사진으로, 도 11에 비해 미세구조가 확연히 조밀해진다는 것을 알 수 있다. 이는 ZnO 나노분말이 입계(Grain boundary)에 주로 위치하면서 소결 과정에서 발생하는 결정립 성장(Grain growth)을 저해하기 때문이다. 이와 같이 결정립 성장이 저해되어 결과적으로 결정립(Grain)이 작아지면 포논 산란(Phonon scattering)이 증가하여 열전도도가 감소함으로써, 열전소재의 열전변환특성이 향상된다. 또한, 미세구조가 조밀해지면 열전소재의 기계적 강도(Mechanical strength)도 증가하게 되는데, 도 13은 ZnO 나노분말이 포함되지 않은 Bi2Te2 .7Se0 .3 열전소재와 ZnO 나노분말이 1.0vol.% 포함된 Bi2Te2 .7Se0 .3 열전소재의 압축강도를 비교한 결과이다. 도 13을 통해 알 수 있듯이 ZnO 나노분말을 혼합할 경우 압축파괴강도가 약 2.2% 증가한다.Fig. 11 is a photograph of a section of a Bi 2 Te 2 .7 Se 0 .3 thermoelectric material without ZnO nano powder added thereto, observed by an electron microscope, showing that the structure of the thermoelectric material is not dense. In contrast, FIG. 12 is a photograph of the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material with ZnO nanoparticles added thereto, which is observed by an electron microscope. It can be seen that the microstructure becomes considerably dense as compared with FIG. This is because ZnO nanoparticles are mainly located in the grain boundaries and inhibit grain growth which occurs during the sintering process. As crystal grain growth is inhibited and consequently grain grains are reduced, phonon scattering is increased and the thermal conductivity is decreased, thereby improving the thermoelectric conversion characteristics of the thermoelectric material. 13 shows that the Bi 2 Te 2 .7 Se 0 .3 thermoelectric material containing no ZnO nano-powder and the ZnO nano-powder have a mechanical strength of 1.0 vol% .% Bi 2 Te 2 .7 Se 0 .3 Compressive strength of thermoelectric material was compared. As can be seen from FIG. 13, when the ZnO nano powder is mixed, the compressive fracture strength is increased by about 2.2%.

종래기술의 경우 p-type의 무차원 성능지수 및 열전특성이 증가된 열전소재 및 제조방법은 많이 알려져 있었으나, p-type과는 다른 특성을 가진 n-type 열전소재의 열전특성을 증가시킨 기술을 거의 발견되지 않았다. 이에 본 발명은 산화아연 나노분말을 n-type의 열전소재인 Bi2Te3 - xSex 열전소재에 함께 혼합하여 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재를 제조하였다. 이를 통해 나노복합열전소재의 열전특성이 향상되었으며, 나노복합열전소재의 이방성이 감소한다는 것을 확인할 수 있었다. 이방성이 감소하게 되면 나노복합열전소재가 부위에 관계없이 균일한 열전특성을 갖게 된다. 이방성이 높을 경우 원하는 정도의 열전특성이 나오지 않는 부위는 사용할 수 없어 비용 대비 효율이 좋지 못한데 비해, 본 발명의 경우 낮은 이방성을 가지기 때문에 나노복합열전소재의 낭비가 방지된다.In the prior art, thermoelectric materials and manufacturing methods with increased non-dimensional performance index and thermoelectric properties of p-type have been well known, but a technique of increasing thermoelectric properties of n-type thermoelectric materials having properties different from those of p- Little was found. Therefore, the present invention is to produce a Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material by mixing zinc oxide nano powder together with an n-type thermoelectric material Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material. The thermoelectric properties of the nanocomposite thermoelectric materials are improved and the anisotropy of the nanocomposite thermoelectric materials is reduced. When the anisotropy is reduced, the nanocomposite thermoelectric material has homogeneous thermoelectric properties regardless of the region. If the anisotropy is high, the portion where the desired thermoelectric property can not be obtained can not be used and the cost efficiency is poor. In contrast, the present invention has a low anisotropy to prevent the waste of the nanocomposite thermoelectric material.

Claims (9)

산화아연이 혼합된 열전소재 제조방법에 있어서,
비스무트(Bi), 텔루륨(Te), 셀레늄(Se)으로 이루어진 열전소재 원료분말 및 산화아연(ZnO) 나노분말을 혼합 및 소결하여 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재를 형성하는 단계를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 산화아연이 혼합된 열전소재 제조방법. (0 ≤ x ≤ 3)
A method for manufacturing a thermoelectric material in which zinc oxide is mixed,
Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material is formed by mixing and sintering a thermoelectric material powder and a zinc oxide (ZnO) nano powder composed of bismuth (Bi), tellurium (Te), selenium Wherein the zinc oxide is mixed with the zinc oxide. (0? X? 3)
제 1항에 있어서,
상기 열전소재 원료분말 및 상기 산화아연 나노분말을 준비하는 단계와;
상기 열전소재 원료분말 및 상기 산화아연 나노분말을 분쇄하여 혼합분말을 형성하는 단계와;
상기 혼합분말을 소결하여 상기 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연이 혼합된 열전소재 제조방법.
The method according to claim 1,
Preparing the thermoelectric material powder and the zinc oxide nano powder;
Milling the thermoelectric material powder and the zinc oxide nano powder to form a mixed powder;
And sintering the mixed powder to form the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material.
제 1항에 있어서,
열전특성의 이방성 감소를 위해 상기 산화아연 나노분말은 상기 열전소재 원료분말을 통해 형성되는 Bi2Te3 - xSex 열전소재에 대해 0.1 내지 5vol.%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 산화아연이 혼합된 열전소재 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the zinc oxide nano powder is mixed at 0.1 to 5 vol.% With respect to the Bi 2 Te 3 - x Se x thermoelectric material formed through the thermoelectric material powder to reduce anisotropy of thermoelectric properties. Gt;
제 1항에 있어서,
상기 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재의 열전특성을 향상시키면서 상기 산화아연 나노분말이 상기 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재의 결정립 성장(Grain growth)을 제어할 수 있도록 상기 열전소재 원료분말은 200nm 이하의 직경으로 분쇄되는 것을 특징으로 하는 산화아연이 혼합된 열전소재 제조방법.
The method according to claim 1,
The Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material has improved thermoelectric properties while the zinc oxide nanopowder has a grain growth of the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material Wherein the thermoelectric material powder is pulverized to a diameter of 200 nm or less so that the thermoelectric material powder can be controlled.
제 1항에 있어서,
상기 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재의 미세구조(Microstructure)가 조밀해질 수 있도록 상기 산화아연 나노분말은 10 내지 50nm의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 산화아연이 혼합된 열전소재 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the zinc oxide nanopowder has a diameter of 10 to 50 nm so that the microstructure of the Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material can be dense. Gt;
제 1항에 있어서,
열전특성을 증가시키기 위해 안티몬(Sb), 요오드(I), 염소(Cl), 브롬(Br), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 및 이의 혼합으로 이루어진 원소를 첨가하는 것을 특징으로 하는 산화아연이 혼합된 열전소재 제조방법.
The method according to claim 1,
In order to increase the thermoelectric properties, antimony (Sb), iodine (I), chlorine (Cl), bromine (Br), copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), zinc (Zn) And an element made of a mixture thereof is added to the thermoelectric material.
제 1항에 있어서,
상기 소결은 비활성 기체 분위기 하에서 400 내지 500℃로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화아연이 혼합된 열전소재 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sintering is performed in an inert gas atmosphere at 400 to 500 ° C.
제 1항에 있어서,
상기 소결은 스파크 플라즈마 소결(Spark plasma sintering) 또는 핫 프레싱(Hot pressing)을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화아연이 혼합된 열전소재 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sintering is performed by spark plasma sintering or hot pressing. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
산화아연이 혼합된 열전소재에 있어서,
비스무트(Bi), 텔루륨(Te), 셀레늄(Se)으로 이루어진 열전소재 원료분말 및 산화아연(ZnO) 나노분말을 혼합 및 소결하여 얻어진 Bi2Te3 - xSex-ZnO 나노복합열전소재인 것을 특징으로 하는 산화아연이 혼합된 열전소재. (0 ≤ x ≤ 3)
In the thermoelectric material in which zinc oxide is mixed,
Bi 2 Te 3 - x Se x -ZnO nanocomposite thermoelectric material obtained by mixing and sintering a thermoelectric material powder and a zinc oxide (ZnO) nano powder made of bismuth (Bi), tellurium (Te) Wherein the thermoelectric material is a mixture of zinc oxide. (0? X? 3)
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