KR20170139842A - High efficiency nanostructured thermoelectric sintered body and method for fabricating the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a thermoelectric nano-sintered body formed by using thermoelectric nanopowder through a rapid sintering process, and a manufacturing method thereof. According to the present invention, thermal conductivity is considerably degraded compared to existing commercial thermoelectric materials by a microstructure in which the grain size is controlled at nanoscales, resulting in high density and improved thermoelectric efficiency. The method comprises the steps of: preprocessing thermoelectric nanopowder; and performing heat treatment on the preprocessed thermoelectric nanopowder.

Description

고효율 열전 나노소결체 및 그의 제조방법{High efficiency nanostructured thermoelectric sintered body and method for fabricating the same}       TECHNICAL FIELD The present invention relates to a high-efficiency thermoelectric nano-sintered body and a method of manufacturing the same.

본 발명은 열전 나노 소결체 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하기로는 열전 나노분말의 전처리 및 급속소결 공정을 통해 나노스케일로 제어된 결정립이 형성되어 열전 성능이 향상된 고효율 열전 나노소결체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric nano-sintered body and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a high-efficiency thermoelectric nano-sintered body in which nanocrystalline controlled grains are formed through a pretreatment and a rapid sintering process of a thermoelectric nano powder, .

화석연료의 지속적이고 무분별한 사용으로 인해, 석유 및 석탄과 같은 화석에너지의 고갈과 환경오염이 더욱 가속화되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 화석연료의 사용을 규제하는 여러 국제협약이 체결되었고 화석에너지의 대안으로 여러 대체에너지가 제시 및 연구되고 있다.      Due to the persistent and indiscriminate use of fossil fuels, depletion of fossil energy, such as petroleum and coal, and environmental pollution are accelerating. In order to solve these problems, several international conventions have been concluded to regulate the use of fossil fuels, and alternate energies have been presented and researched as an alternative to fossil energy.

화석연료를 전혀 사용하지 않으려는 대체에너지의 목표와는 다르게, 화석연료의 에너지 효율을 증가시키는 방향의 연구가 다양하게 진행되고 있다. 이러한 연구 중에 대표적으로 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)에 대한 관심이 높아지고 있다. 에너지 하베스팅은 기존 에너지에서 사용되지 못하고 버려지는 폐 에너지를 회수하여 에너지 효율을 높이는 방안에 관한 연구로, 화석연료의 연소 시 발생하는 열을 회수해 전기에너지로 변환하는 등의 시도가 이루어지고 있다.      Unlike the alternative energy goal of not using fossil fuels at all, there are various studies to increase the energy efficiency of fossil fuels. Interest in energy harvesting has been increasing in these studies. Energy harvesting is a research on improving energy efficiency by recovering abandoned waste energy that can not be used in existing energy. It is attempting to recover the heat generated by fossil fuel combustion and convert it into electric energy .

열전소재는 제벡효과(Seebeck effect)와 같은 열전현상을 보이는 소재를 말하며, 제벡효과란, 열전소재의 고온부와 저온부 사이의 전하운반자(Charge carrier)간 에너지 차이에 의하여 소재 내부에 기전력이 형성되는 현상을 말하며 이 온도차에 따른 기전력에 의하여 열에너지를 전기에너지로 변환이 가능하다. 따라서 화석연료의 연소에 의한 폐열이 발생하는 장소에 열전소자를 설치하게 되면 기존에 버려졌던 폐열의 전기에너지로의 변환을 통해 에너지의 회수가 가능하게 된다.       The thermoelectric material refers to a material exhibiting a thermoelectric effect such as a Seebeck effect. The Jebek effect is a phenomenon in which an electromotive force is formed inside a material due to energy difference between a charge carrier between a high temperature portion and a low temperature portion of the thermoelectric material And it is possible to convert thermal energy into electric energy by the electromotive force according to the temperature difference. Therefore, when a thermoelectric element is installed in a place where waste heat due to the combustion of fossil fuel is generated, energy can be recovered through conversion of waste heat, which has been previously abandoned, into electrical energy.

높은 열-전기에너지 변환효율을 얻기 위해서는 소재의 열전특성을 적절히 제어해야 하며, 소재의 열전특성은 무차원의 성능지수(Dimensionless Figure of Merit: ZT)로 측정 및 평가할 수 있다.     In order to achieve high heat-electrical energy conversion efficiency, the thermoelectric properties of the material should be controlled appropriately and the thermoelectric properties of the material can be measured and evaluated with a dimensionless figure of merit (ZT).

수학식 1            Equation 1

Figure pat00001
Figure pat00001

(σ는 전기전도도, S 는 제벡계수, κ는 열전도도, T 는 절대온도)       (sigma is the electrical conductivity, S is the Seebeck coefficient, kappa is the thermal conductivity, and T is the absolute temperature)

높은 에너지 변환효율의 열전소자를 구현하기 위해서는 무차원의 성능지수 ZT값이 높아야 하며, 수학식 1에서 알 수 있듯이 높은 ZT를 얻기 위해서는 소재의 제벡계수 및 전기전도도는 높아야 하며 동시에 열전도도는 낮아야 함을 알 수 있다. 제벡계수란 단위 온도 차이당 형성되는 기전력의 크기(S=dV/dT)를 말하며, 높은 제벡계수에 의해 적은 온도 차이에서도 높은 기전력을 형성하며 높은 전기전도도는 생성되는 전기에너지를 빠르고 효율적으로 사용할 수 있게 해 준다. 또한 낮은 열전도도에 의하여 열전소재에 인가되는 고온부 및 저온부의 온도 차이가 크게 유지될 수 있다.       In order to realize a high energy conversion efficiency thermoelectric device, the dimensionless figure of merit ZT must be high. In order to obtain a high ZT, as shown in Equation 1, the material has a high Seebeck coefficient and electrical conductivity, and a low thermal conductivity. . The Seebeck coefficient refers to the magnitude of the electromotive force (S = dV / dT) formed per unit temperature difference. The high Seebeck coefficient forms a high electromotive force even at a small temperature difference, and the high electric conductivity can be used quickly and efficiently I will let you. Also, the temperature difference between the high temperature part and the low temperature part applied to the thermoelectric material can be largely maintained by the low thermal conductivity.

그러나 대부분 소재에서 Widemann-Franz 법칙에 의하여 열전도도는 전기전도도에 비례하여 증가하는 경향을 보이며, 제벡계수는 일반적으로 전기전도도와 반비례의 관계를 보인다. 이러한 소재 자체의 한계를 극복하기 위하여 나노스케일의 미세구조를 가지는 열전소재가 연구되고 있다. 나노스케일의 미세구조를 소재 내에 구현하게 되면, 각 나노스케일 미세구조의 계면 등에서 전하운반자의 산란은 상대적으로 최소화시키고 동시에 열전도도의 기본 단위인 격자진동(Phonon)의 산란은 최대화하여 열전 성능을 높일 수 있다고 알려져 있다.      However, due to the Widemann-Franz law in most materials, the thermal conductivity tends to increase in proportion to the electrical conductivity, and the Seebeck coefficient generally has an inversely proportional relationship with the electrical conductivity. In order to overcome the limitation of such a material itself, a thermoelectric material having a nanoscale microstructure is being studied. When the nanoscale microstructure is implemented in the material, the scattering of the charge carrier is minimized at the interface of each nanoscale microstructure and at the same time, the scattering of the phonon, which is the basic unit of thermal conductivity, is maximized to increase the thermoelectric performance It is known to be able.

나노스케일의 미세구조를 소재 내에 구현하기 위한 노력의 일환으로 재료 내에 나노석출물 형성, 볼밀을 통한 미세분말 소결, 상용 열전소재와 나노분말 혼입 등의 시도가 이루어졌다. 그러나 나노석출물 형성을 위해서는 소결 전 원재료 분말을 제조하는 단계부터 약 700℃ 이상의 고온에서 최소 10시간 이상의 열처리가 필요하기 때문에 복잡한 공정과 장시간 고온 열처리로 인해 생산성이 떨어지는 단점이 있다. 또한 나노석출물에 의한 격자진동 산란은 약 10 ㎚ 이하의 파장을 갖는 격자진동에서만 효과적으로 일어나게 되는데 볼밀 파쇄에 의한 소결 분말은 최소 수백 ㎚까지의 파쇄만 가능하므로 석출물에 의한 산란이 어렵다. 또한 고에너지 볼밀에 의하여 소결 분말 내에 많은 결함들이 생겨 열전특성을 저해하게 된다. 상용 열전소재와 나노분말 혼입방법 역시 모든 영역에서의 고른 나노결정립 형성이 어려운 단점이 있다.    Attempts have been made to form nano precipitates in the material, to sinter fine powder through a ball mill, to incorporate commercial thermoelectric materials and nanopowder, in order to realize nanoscale microstructure in the material. However, in order to form a nano-precipitate, since the heat treatment is required for at least 10 hours at a high temperature of about 700 ° C or more from the stage of preparing the raw material powder before sintering, productivity is deteriorated due to complicated process and high temperature heat treatment for a long time. In addition, the lattice vibration scattering due to nano precipitates is effective only in the lattice vibration having a wavelength of about 10 nm or less. Since the sintered powder by ball milling can only crush to at least several hundred nm, scattering by the precipitates is difficult. Also, due to the high energy ball mill, many defects are generated in the sintered powder, which hinders the thermoelectric properties. Commercial thermoelectric materials and nano powder incorporation methods are also difficult to form uniform nanocrystals in all areas.

상기 언급한 기존의 나노스케일 미세구조 형성방법을 통해서는 10 ㎚ 또는 500 ㎚ 스케일의 국부적 미세구조만을 형성할 수 있기 때문에 모든 스케일의 격자진동 산란 중심을 형성할 수 없어 일부 격자진동의 산란만 발생하게 된다.     Since the conventional nanoscale microstructure forming method described above can form only a local microstructure having a scale of 10 nm or 500 nm, the lattice vibration scattering center of all the scales can not be formed, do.

이에 반해 나노분말을 고밀도로 소결하게 되면 열전소재의 결정립 자체를 수십 ~ 수백 ㎚로 제어할 수 있고 나노결정립의 도입과 결정립 내부 나노석출물을 동시에 형성할 수 있기 때문에 다양한 파장의 격자진동의 효율적 산란이 가능하다. 그 결과 소재의 열전도도를 낮추어 최종적으로 높은 열전 성능을 보일 수 있다.      On the other hand, when the nano powder is sintered at a high density, the grain itself of the thermoelectric material can be controlled to several tens to several hundreds of nanometers, and efficient introduction of nanocrystals and formation of nano- It is possible. As a result, the thermal conductivity of the material can be lowered and ultimately a high thermoelectric performance can be obtained.

상기 언급된 문제점들을 해결하기 위하여, 합성된 열전 나노분말을 급속소결을 통해 열전 나노소결체를 구현하는 방법이 제시되었다. 열전 나노분말을 원재료로 하여 급속소결을 통해 나노소결체를 제조하는 방법에서는 합성된 열전 나노분말을 흑연몰드(Graphite mold)에 장약하고 소결을 진행하게 된다. 이때 열전 나노분말의 넓은 표면적을 감소시키기 위하여 소결이 진행된다. 그러나 상기와 같은 방법에서는 열전 나노분말에 잔류해 있는 계면활성제(Surfactant)에 의하여 소결이 방해받게 되고, 고밀도의 소결체를 얻지 못한다는 단점이 있다. 낮은 밀도의 소결체는 낮은 전기적 특성을 보이며 그 결과 열전특성이 우수하지 못하게 된다. 또한 낮은 밀도에서 기인하는 기공 등에 의하여 기계적 강도 역시 매우 크게 저하된다.     In order to solve the above-mentioned problems, a method of realizing a thermoelectric nano-sintered body by rapid sintering of the synthesized thermoelectric nano powder has been proposed. In the method of manufacturing a nano-sintered body by rapid sintering using a thermoelectric nano powder as a raw material, the synthesized thermoelectric nano powder is charged to a graphite mold and sintered. At this time, sintering proceeds to reduce the large surface area of the thermoelectric nano powder. However, in the above method, the sintering is disturbed by the surfactant remaining in the thermoelectric nano powder, and the sintered body of high density is not obtained. The low density sintered body shows low electrical properties and as a result, the thermoelectric properties are not excellent. Also, the mechanical strength is greatly reduced by the pores caused by the low density.

이에, 열전 나노분말의 급속소결을 통한 나노스케일 결정립의 열전 나노소결체를 제조하되, 열전 나노분말을 전처리한 후 급속소결을 진행하는 단계 및 부피팽창을 억제하는 2단계 소결을 통하여 이론밀도 대비 최대 99%의 상대밀도를 보이는 고밀도 열전 나노소결체 제조방법을 개발하여 본 발명을 완성하게 되었다.     Thus, a thermoelectric nano-sintered body of nanoscale crystal grains is prepared by rapid sintering of thermoelectric nano powders. The thermoelectric nano-sintered body is pre-treated with thermoelectric nano powders and then subjected to rapid sintering and two-step sintering to suppress volume expansion. Density nano-sized thermoelectric nano-sintered body having a relative density of 10% or more.

대한민국 등록특허 10-1264311Korean Patent No. 10-1264311 대한민국 등록특허 10-1323321Korean Patent No. 10-1323321 대한민국 등록특허 10-1346325Korean Patent No. 10-1346325 대한민국 등록특허 10-1409404Korean Patent No. 10-1409404

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명은 결정립의 크기를 수십 ~ 수백 ㎚로 제어함으로써 효율적인 격자진동 산란 특성을 나타내는 열전 나노소결체를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a thermoelectric nano-sintered body exhibiting an efficient lattice vibration scattering property by controlling the size of crystal grains to several tens to several hundreds nm.

또 다른 관점에서, 본 발명은 효율적인 격자진동 산란 특성을 나타내는 열전 나노소결체의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In another aspect, the present invention provides a method of manufacturing a thermoelectric nano-sintered body exhibiting an efficient lattice vibration scattering characteristic.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 고효율 열전 나노소결체는        In order to achieve the above object, the high-efficiency thermoelectric-

열전 나노분말을 열처리하여 형성된 결정립의 크기가 50 ~ 500 ㎚ 이내이다.상기 열전 나노분말은 PbTe, Bi2Te3, ZnO 및 Cu2S를 포함하는 그룹 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 열전 나노분말이 PbTe일 때, 열전 나노소결체의 이론밀도는 8.164 g/㎤이고, 이론밀도 대비 최대 99%의 상대밀도를 보이는 것이 바람직하다. 또한, 상기 두 번째 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고효율 열전 나노소결체의 제조방법에 대한 것으로,The thermoelectric nano powder preferably includes at least one selected from the group consisting of PbTe, Bi 2 Te 3 , ZnO, and Cu 2 S, and the size of the crystal grains formed by heat-treating the thermoelectric nano powder is within 50 to 500 nm. Do. When the thermoelectric nano powder is PbTe, the thermoelectric nano-sintered body has a theoretical density of 8.164 g / cm 3 and a relative density of 99% of theoretical density. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a high-efficiency thermoelectric-

열전 나노분말을 전처리하는 단계; 및Pretreating the thermoelectric nano powder; And

상기 전처리된 열전 나노분말을 열처리하는 단계;를 포함하여 이루어진다.And thermally treating the pretreated thermoelectric nano powder.

상기 전처리하는 단계는 300 내지 400℃에서 5분 내지 40분 동안 이루어지는 것이 바람직하다.It is preferable that the pretreatment is performed at 300 to 400 ° C for 5 minutes to 40 minutes.

상기 열처리하는 단계는,The step of heat-

500 내지 700℃에서 급속소결을 진행하는 제1열처리단계; 및A first heat treatment step of performing rapid sintering at 500 to 700 ° C; And

상기 제1열처리단계보다 100 내지 400℃의 범위의 낮은 온도에서 열처리하는 제2열처리단계;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.And a second heat treatment step of performing heat treatment at a lower temperature in the range of 100 to 400 ° C than the first heat treatment step.

상기 제1열처리단계는, 1 내지 2시간 동안 진공 분위기에서 압력을 유지한 후, Ar 분위기로 치환하여 열처리하는 것이 바람직하다.In the first heat treatment step, it is preferable to maintain the pressure in a vacuum atmosphere for 1 to 2 hours, and then heat treatment by replacing with Ar atmosphere.

본 발명에 의한 고효율 열전 나노소결체는 기존의 핫 프레스 소결과 비교했을 때 단시간의 소결을 통해 소결체가 얻어지므로 경제적이며, 결정립의 크기가 50 ~ 500 ㎚ 이내로 제어되므로 효율적인 격자진동 산란 특성을 나타내는 효과가 있다. 또한, 이에 따라, 본 발명에 의한 고효율 열전 나노소결체는 결과적으로 열전도도 감소에 의한 열전효율이 증대되는 효과가 있다.The high-efficiency thermoelectric nano-sintered body according to the present invention is economical because a sintered body can be obtained through short-time sintering as compared with the conventional hot press sintering, and the crystal grain size is controlled within 50 to 500 nm, have. In addition, the high-efficiency thermoelectric-nano-sintered body according to the present invention has the effect of increasing the thermoelectric efficiency by reducing the thermal conductivity.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 PbTe 열전 나노소결체의 TEM 이미지를 나타낸 도면으로 (a)는 스케일바가 200 ㎚일 때의 직경의 크기, (b)는 스케일바가 50 ㎚일 때의 직경의 크기, (c)와 (d)는 각각 서로 다른 관찰 부위로서, 스케일바가 20 ㎚일 때의 직경의 크기를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 급속소결 진행시에 사용된 흑연몰드 및 펀치를 나타내는 도면이다.
도 3의 (a)는 본 발명에 따른 공정 전 초기 PbTe 나노분말의 TEM 이미지 및 (b)는 본 발명에 따른 공정 전 초기 PbTe 나노분말의 XRD 분석을 나타내는 도면이다.
도 4의 (a)는 본 발명에 따른 공정 전 초기 Bi2Te3 나노분말의 TEM 이미지, (b)는 본 발명에 따른 공정 전 초기 Bi2Te3 나노분말의 직경의 크기 및 (c)는 본 발명에 따른 공정 전 초기 Bi2Te3 나노분말의 EDS 성분 분석을 나타내는 도면이다.
도 5의 (a)는 본 발명에 따른 전처리된 PbTe 나노분말의 TEM 이미지, (b)는 본 발명에 따른 전처리된 PbTe 나노분말의 XRD 분석, (c)는 본 발명에 따른 전처리된 PbTe 나노분말의 FT-IR 스펙트럼 분석을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 급속소결 후 열처리하여 부피팽창이 억제된 PbTe 열전 나노소결체와 급속소결 후 열처리를 하지 않아 부피팽창이 발생한 PbTe 열전 나노소결체의 온도에 따른 전기전도도를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 PbTe 열전 나노소결체의 열전도도와 비교예에 따른 벌크 PbTe 열전소재의 열전도도를 비교 분석한 것을 나타내는 도면이다.
FIG. 1 is a TEM image of a PbTe thermoelectric nano-sintered body according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) shows the diameter of the scale bar when the scale bar is 200 nm, (C) and (d) show the magnitude of the diameter when the scale bar is 20 nm, respectively.
2 is a view showing a graphite mold and a punch used in the rapid sintering process according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 (a) is a TEM image of an initial PbTe nano powder before the process according to the present invention, and FIG. 3 (b) is an XRD analysis of an initial PbTe nano powder before the process according to the present invention.
FIG. 4A is a TEM image of the initial Bi 2 Te 3 nano powder before the process according to the present invention, FIG. 4B is a magnitude of the diameter of the initial Bi 2 Te 3 nano powder before the process according to the present invention, and FIG. FIG. 3 is a graph showing the analysis of EDS components of the initial Bi 2 Te 3 nano powder before the process according to the present invention. FIG.
FIG. 5A is a TEM image of the pretreated PbTe nano powder according to the present invention, FIG. 5B is XRD analysis of the pretreated PbTe nano powder according to the present invention, and FIG. 5C is a graph showing the XRD analysis of the pretreated PbTe nano powder Lt; RTI ID = 0.0 > FT-IR < / RTI >
FIG. 6 is a graph showing electric conductivity according to temperature of a PbTe thermoelectric nano-sintered body subjected to heat treatment after rapid sintering according to an embodiment of the present invention and volume expansion of PbTe thermoelectric nano-sintered body without thermal treatment after rapid sintering to be.
FIG. 7 is a graph showing the thermal conductivity of a PbTe thermoelectric nano-sintered body according to an embodiment of the present invention and the thermal conductivity of a bulk PbTe thermoelectric material according to a comparative example.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 고효율 열전 나노소결체에 대한 것으로서, 상세하기로는 열전 나노분말을 열처리하여 형성된 결정립의 크기가 50 ~ 500 ㎚ 이내인 열전 나노소결체에 관한 것이다.The present invention relates to a high-efficiency thermoelectric nano-sintered body, and more particularly, to a thermoelectric nano-sintered body having a size of crystal grains formed by heat-treating a thermoelectric nano powder within 50 to 500 nm.

열전재료란 재료 양단간에 온도차를 주었을 때 전기에너지가 생기고 반대로 재료에 전기에너지를 주었을 때 양단간에 온도차가 생기는 에너지 변환 재료이다.The thermoelectric material is an energy conversion material in which electrical energy is generated when a temperature difference is given between both ends of a material, and a temperature difference is generated between opposite ends when electrical energy is given to the material.

대부분의 열전재료의 성분조성은 비스무스(Bi), 텔러륨(Te), 셀레늄(Se), 안티모니(Sb) 등의 원소로 이루어져 있으며 성형체의 밀도, 열전능(S) 및 성능지수(ZT) 등의 물성치가 우수한 것을 필요로 한다. 이러한 열전재료의 열전특성을 논할 때 무차원의 성능지수(Dimensionless Figure of Merit: ZT)를 일반적으로 고려하고 있으며, 이는 하기 수학식 1에 나타낸 바와 같이 표시되며, 성능지수가 높다는 것은 열전재료의 에너지 변환효율이 높다는 것을 의미한다.Most thermoelectric materials consist of elements such as Bi, Te, Selenium and Sb. The density, thermal conductivity (S) and figure of merit (ZT) And the like. In discussing the thermoelectric properties of such thermoelectric materials, a dimensionless figure of merit (ZT) is generally considered, which is expressed as shown in Equation (1) below, Which means that the conversion efficiency is high.

수학식 1      Equation 1

Figure pat00002
Figure pat00002

(σ는 전기전도도, S 는 제벡계수, κ는 열전도도, T 는 절대온도)       (sigma is the electrical conductivity, S is the Seebeck coefficient, kappa is the thermal conductivity, and T is the absolute temperature)

높은 에너지 변환효율의 열전소자를 구현하기 위해서는 무차원의 성능지수 ZT값이 높아야 하며, 수학식 1에서 알 수 있듯이 높은 ZT를 얻기 위해서는 소재의 제벡계수 및 전기전도도는 높아야 하며 동시에 열전도도는 낮아야 함을 알 수 있다.In order to realize a high energy conversion efficiency thermoelectric device, the dimensionless figure of merit ZT must be high. In order to obtain a high ZT, as shown in Equation 1, the material has a high Seebeck coefficient and electrical conductivity, and a low thermal conductivity. .

본 발명에서의 나노소결체란 나노 크기의 분말을 열처리하였을 때, 분말 입자 간에 결합이 일어나 응고하는 현상으로, 소결이 진행되면 전 표면적이 감소되고 기공률, 흡수율이 감소된다.The nano-sintered body according to the present invention is a phenomenon that when the nano-sized powder is heat-treated, the powder is solidified due to binding between the particles, and as the sintering proceeds, the total surface area decreases and the porosity and the water absorption rate decrease.

열전 나노 분말이란 열전재료로서 사용되는 나노 크기의 분말로서 비스무스(Bi), 텔러륨(Te), 셀레늄(Se), 안티모니(Sb) 등의 원소로 이루어져 있다.Thermoelectric nano powder is a nano-sized powder used as a thermoelectric material and is composed of elements such as bismuth (Bi), tellurium (Te), selenium (Se), and antimony (Sb).

본 발명에서 사용할 수 있는 열전 나노 분말은 PbTe, Bi2Te3, ZnO 및 Cu2S를 포함하는 그룹 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The thermoelectric nano powder usable in the present invention preferably includes at least one selected from the group consisting of PbTe, Bi 2 Te 3 , ZnO and Cu 2 S, but is not limited thereto.

PbTe란 알타이트라고도 불리며, 분자량이 334.80이며, 열전재료의 중간체로 흔히 알려져 있다. 부분적으로 낮은 열전도도와 전기전도도를 가지고 있기 때문에 열전재료로 좋은 성능을 가지고 있다.PbTe is also called altite, has a molecular weight of 334.80 and is commonly known as an intermediate of thermoelectric materials. Partly low thermal conductivity and electrical conductivity have good performance as thermoelectric material.

Bi2Te3란 분자량이 800.83이며, 띠 간격이 0.14eV인 진성 반도체로, 열전 특성이 탁월하다. 주로 Sb2Te3 또는 Bi2Se3와 합금을 만들어서 다이오드로 제작되어 CPU 냉각 장치. 휴대형 냉각기 및 발전기, 그리고 적외선 분광기의 검출기 등에 사용된다.Bi 2 Te 3 is an intrinsic semiconductor having a molecular weight of 800.83 and a band gap of 0.14 eV, and has excellent thermoelectric properties. Mainly made of diode with alloy of Sb 2 Te 3 or Bi 2 Se 3 and CPU cooling device. Portable coolers and generators, and detectors for infrared spectroscopes.

ZnO란 분자량이 81.38이며, Zn 이온과 O 이온의 직경차이로 인해 비교적 큰 사면체 간극이 존재하며 Zn 침입형(zinc interstitial) 원자 또는 산소 공공(oxygen vacancy)과 같은 결함이 생성되어 전자를 형성하므로 n형 반도체로 알려져 있다.ZnO has a molecular weight of 81.38, and due to the difference in diameters of Zn and O ions, a relatively large tetrahedral interspace exists and defects such as Zn interstitial atoms or oxygen vacancies are generated to form electrons, Type semiconductors.

Cu2S란 칼코사이트라고도 불리며, 분자량이 159.16이며, 구리염 수용액에 황화수소를 가하면 침전하는 검은 갈색의 비결정성 물질로, 콜로이드화하기 쉽고 전기의 양도체(전기나 열이 잘 흐르는 물체)이다.Cu 2 S, also called calcocite, has a molecular weight of 159.16 and is a dark brown amorphous substance that precipitates when hydrogen sulfide is added to an aqueous solution of copper salt, which is easily converted to colloid and is an electric conductor (an electric or heat-flowable material).

상기 열전 나노 분말 중에서도, PbTe를 본 발명에 사용할 경우, 열전 나노 소결체의 상대밀도는 이론밀도 대비 99%인 것이 바람직하다. 왜냐하면 소결체의 밀도가 이론밀도에 비하여 감소하게 되면 소결체의 기계적 강도가 급격히 저하되어 열전소자에 사용이 어려우며, 전기전도도 또한 매우 크게 감소되어 전체적인 소결체의 열전성능이 감소하게 되기 때문이다.Among the thermoelectric nano powders, when PbTe is used in the present invention, the relative density of the thermoelectric nano-sintered body is preferably 99% of the theoretical density. This is because if the density of the sintered body is decreased as compared with the theoretical density, the mechanical strength of the sintered body is rapidly lowered, which is difficult to use in the thermoelectric device, and the electrical conductivity is also greatly reduced, thereby decreasing the thermoelectric performance of the whole sintered body.

본 발명의 열전 나노소결체를 제조하는 방법은, 열전 나노분말을 전처리하는 단계 및 전처리된 열전 나노분말을 열처리하는 단계를 포함한다.The method for manufacturing a thermoelectric-nano-sintered body of the present invention includes a step of pretreating a thermoelectric-nano powder and a step of heat-treating the pretreated thermo-nano powder.

열전 나노 분말의 전처리 단계는 300 내지 400℃에서 5 내지 40분간 유지되는 것이 바람직하다.The pretreatment step of the thermoelectric nano powder is preferably maintained at 300 to 400 ° C for 5 to 40 minutes.

열처리 온도 및 시간이 상기 조건 미만이면 효율적인 유기물 제거가 어려워 잔류 유기물이 남을 수 있으며, 온도 및 시간이 상기 조건 이상이면 나노분말 자체의 응집이 일어날 수 있어 소결공정의 구동에너지(Driving force)인 표면적의 감소가 바람직하지 않게 된다. 이에 따라 고밀도의 나노소결체를 형성하기 어렵다.If the temperature and the time of the heat treatment are less than the above-mentioned conditions, it is difficult to efficiently remove the organic matter, and residual organic matter may remain. If the temperature and the time are above the above conditions, agglomeration of the nanopowder itself may occur, Reduction is undesirable. Accordingly, it is difficult to form a high-density nano-sintered body.

상기 제조 방법에서의 열처리는 500 내지 700℃에서 급속소결을 진행하는 제1열처리단계; 및The heat treatment in the above manufacturing method may include a first heat treatment step in which rapid sintering is performed at 500 to 700 ° C; And

상기 제1열처리단계보다 100 내지 400℃의 범위의 낮은 온도에서 열처리하는 제2열처리단계;를 포함하여 진행하는 것이 바람직하다.And a second heat treatment step of performing heat treatment at a lower temperature in the range of 100 to 400 ° C than the first heat treatment step.

제1열처리 단계의 온도가 제2열처리 단계의 온도보다 높음으로써 열에너지에 의한 나노분말들의 계면적 감소, 즉 급속소결이 일어나게 되며, 제2열처리 단계에서는 보다 낮은 온도에서의 열처리로 인해 상기 1열처리 단계에서 소결된 소결체의 부피팽창을 억제하게 된다. 이로 인해 보다 단시간에 고밀도의 소결체 형성이 가능하다.The temperature of the first heat treatment step is higher than the temperature of the second heat treatment step to reduce the area of the nanoparticles due to heat energy, that is, rapid sintering. In the second heat treatment step, The volume expansion of the sintered body sintered in the sintered body is suppressed. This makes it possible to form a high-density sintered body in a shorter time.

따라서, 제1열처리 단계의 온도는 500 내지 700℃인 것이 바람직하며, 제2열처리 단계의 온도는 그 보다 100 내지 400℃ 낮은 범위 내에서 진행되는 것이 바람직하다.Therefore, the temperature of the first heat treatment step is preferably 500 to 700 ° C, and the temperature of the second heat treatment step is preferably 100 to 400 ° C lower.

본 발명의 급속소결은, 약 700℃ 이상의 고온에서 최소 10시간 이상의 열처리하는 기존의 방법에 비해 500 내지 700℃에서 30분 동안 단시간에 열처리하는 방법으로, 열처리를 함으로써 소결체를 제조하는 것을 뜻한다. 구체적으로, 상압소결, 가압소결(hot pressing), 열간 등가압 소결(hot-isotatic pressing) 등의 방법이 가능하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 열처리방법 중에서 이론밀도에 가깝고, 치밀하고 특성이 우수한 소결체를 제조할 수 있는 가압 소결방법, 즉 핫 프레스 소결법, 바람직하게는 진공 핫 프레스 소결법을 사용할 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The rapid sintering of the present invention means that the sintered body is manufactured by heat treatment at a temperature of 500 to 700 ° C for 30 minutes in a short time, as compared with the conventional method of performing a heat treatment for at least 10 hours at a high temperature of about 700 ° C or more. Specifically, a method such as atmospheric pressure sintering, hot pressing, hot-isotatic pressing or the like can be used, but the present invention is not limited thereto. A hot press sintering method, preferably a vacuum hot press sintering method, which is capable of producing a sintered body which is close to the theoretical density and which is dense and excellent in the above-mentioned heat treatment method, can be used, but is not limited thereto.

상기 핫 프레스 소결방법은 산소가 없는 진공 또는 가스 분위기 하에서 고온, 고압을 동시에 부가하여 수행된다. 이러한 핫 프레스 소결법을 적용하기 위해서는 고온 및 고압에 견딜 수 있는 몰드(mold)가 있어야 하며, 이를 만족시키는 재료로서 주로 탄소(carbon)가 사용되고 있으며, 그 중에서도 흑연(graphite) 소결체 또는 탄소섬유강화 탄소복합체(C/C 복합체)로 이루어진 몰드(Mold)가 사용되고 있다. 이러한 몰드는 등방압으로 가압 소결된 흑연(Graphite) 또는 C/C 복합체 블록을 원통형으로 가공하여 제조된다(도 2 참조).The hot press sintering method is performed by simultaneously adding a high temperature and a high pressure in an oxygen-free vacuum or gas atmosphere. In order to apply such a hot press sintering method, a mold capable of withstanding high temperature and high pressure is required. As a material satisfying this requirement, carbon is mainly used. Among them, a graphite sintered body or a carbon fiber- (C / C composite) is used as a mold. Such a mold is manufactured by processing a graphite or C / C composite block which is pressure-sintered with isobaric pressure into a cylindrical shape (see FIG. 2).

상기 열전 나노분말을 급속소결하여 분말의 크기 성장을 50nm 내지 500 ㎚ 이내로 억제해 나노스케일의 결정립을 형성한다.The thermoelectric nano powder is rapidly sintered to suppress the size growth of the powder to 50 nm to 500 nm to form nanoscale crystal grains.

여기서, 금속이나 합금은 많은 결정의 집합체로 그 나름대로 결정 조직을 얻는데 그 하나하나의 망목상(網目狀)으로 둘러싸인 부분을 결정립이라고 한다.Here, a metal or an alloy is an aggregate of many crystals, and a crystal structure is obtained in its own way, and a portion surrounded by a net mesh is called a crystal grain.

상기 열처리된 나노분말이 나노소결체로 제조되어 50 ~ 500 ㎚ 크기의 결정립으로 제어되면 같은 체적을 가지는 종래 열전소재에 비하여 표면적이 증가될 수 있다. 종래 열전소재의 결정립은 약 1,000 ~ 20,000 ㎚의 크기를 보이는데, 이들의 결정립 크기가 50 ~ 500 ㎚로 제어될 경우 같은 체적에서 표면적은 약 2 내지 400배까지 증가하게 된다. 결정립 표면적, 즉 결정립계에서는 격자진동의 산란이 매우 효과적으로 일어나게 되며 따라서 상기 50 ~ 500 ㎚로 제어된 나노소결체의 경우 효과적인 격자진동 산란에 의하여 매우 낮은 열전도도를 보이게 된다.If the heat treated nanopowder is made of a nano-sintered body and controlled to have a grain size of 50 to 500 nm, the surface area can be increased as compared with a conventional thermoelectric material having the same volume. Conventional thermoelectric materials have a grain size of about 1,000 to 20,000 nm. When the grain size of the thermoelectric material is controlled to 50 to 500 nm, the surface area increases to about 2 to 400 times at the same volume. The scattering of the lattice vibration occurs very effectively in the crystal grain surface area, that is, in the grain boundary system, and thus, in the case of the nanosintered body controlled to 50 to 500 nm, the lattice vibration scattering exhibits very low thermal conductivity.

상기 열전 나노분말의 직경은 10 내지 40 ㎚ 범위이며 구형 또는 육면체의 형태를 가질 수 있다. 상기 열전 나노분말의 직경이 상기 범위 미만이면, 열전 나노분말 자체의 매우 높은 표면에너지에 의하여 열처리 중 자체적인 응집 및 소결이 일어날 수 있으며 나아가 용융이 일어날 수 있다. 또한 직경이 상기 범위 이상이면, 이후의 제조공정인 핫 프레스를 이용한 급속소결을 통하여도 50 ~ 100 ㎚의 결정립 크기를 갖는 열전 나노소결체를 얻기 어렵기 때문에 바람직하지 않다.The thermoelectric nano powder has a diameter ranging from 10 to 40 nm and may have a spherical or hexagonal shape. If the diameter of the thermoelectric nano powder is less than the above range, self-agglomeration and sintering may occur during the heat treatment due to a very high surface energy of the thermoelectric nano powder itself, and further, melting may occur. When the diameter is in the above range, it is difficult to obtain a thermoelectric-nano-sintered body having a grain size of 50 to 100 nm through rapid sintering using a hot press, which will be described later.

도 3의 (a)는 본 발명에 따른 공정 전 초기 PbTe 나노분말의 TEM 이미지 및 (b)는 본 발명에 따른 공정 전 초기 PbTe 나노분말의 XRD 분석을 나타내는 도면이다.FIG. 3 (a) is a TEM image of an initial PbTe nano powder before the process according to the present invention, and FIG. 3 (b) is an XRD analysis of an initial PbTe nano powder before the process according to the present invention.

도 4의 (a)는 본 발명에 따른 공정 전 초기 Bi2Te3 나노분말의 TEM 이미지, (b)는 본 발명에 따른 공정 전 초기 Bi2Te3 나노분말의 직경의 크기 및 (c)는 본 발명에 따른 공정 전 초기 Bi2Te3 나노분말의 EDS 성분 분석을 나타내는 도면이다. (b)에서 Bi2Te3 나노분말의 직경은 35 ㎚이다.FIG. 4A is a TEM image of the initial Bi 2 Te 3 nano powder before the process according to the present invention, FIG. 4B is a magnitude of the diameter of the initial Bi 2 Te 3 nano powder before the process according to the present invention, and FIG. FIG. 3 is a graph showing the analysis of EDS components of the initial Bi 2 Te 3 nano powder before the process according to the present invention. FIG. (b), the diameter of the Bi 2 Te 3 nano powder is 35 nm.

합성된 열전 나노분말에는 카르복실기와 수산화기를 포함하는 계면활성제가 포함되어 있다. 계면활성제와 같은 잔류 유기물 제거를 위하여 소결 전 열처리를 실시하게 되는데 열처리 후에도 나노분말의 성장은 발생하지 않고 유기물만 효과적으로 제거된다.The synthesized thermoelectric nano powder contains a surfactant containing a carboxyl group and a hydroxyl group. In order to remove residual organic substances such as surfactants, heat treatment is performed before sintering. After the heat treatment, growth of nanoparticles does not occur but only organic substances are effectively removed.

본 발명에 의하면, 상기 나노소결체에는 나노스케일의 결정립에 더하여 나노석출물이 형성되어 다양한 파장대의 격자진동 산란에 효과적이므로 열전도도가 더욱 감소되고 열전효율은 증대되어 더욱 바람직하다.According to the present invention, the nano-sintered body is formed with nano-sized precipitates in addition to nano-scale crystal grains and is effective for scattering lattice vibrations of various wavelength ranges, so that the thermal conductivity is further reduced and the thermoelectric efficiency is increased.

먼저, 합성된 열전 나노분말을 진공 분위기(~10-3 Torr)에서 1시간 동안 완전히 건조시켜 준다. 이후 Ar 기체를 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 100 sccm으로 흘려준다. 이후 350℃까지 50℃/m의 속도로 승온 후 350℃에서 20분간 유지하게 된다.First, the synthesized thermoelectric nano powder is completely dried in a vacuum atmosphere (~ 10 -3 Torr) for 1 hour. Then, Ar gas is flowed at 100 sccm by using MFC (Mass Flow Controller). Thereafter, the temperature is raised to 350 ° C at a rate of 50 ° C / m and then maintained at 350 ° C for 20 minutes.

다음으로, 상기 전처리된 열전 나노분말을 열처리하는 단계는, 500 내지 700℃에서 급속소결을 진행하는 제1열처리단계;The heat treatment of the pretreated thermoelectric nano powder may include: a first heat treatment step of performing rapid sintering at 500 to 700 ° C;

상기 제1열처리단계보다 100 내지 400℃의 범위의 낮은 온도에서 열처리하는 제2열처리단계;를 포함한다.And a second heat treatment step of performing heat treatment at a lower temperature in the range of 100 to 400 ° C than the first heat treatment step.

구체적으로, 흑연몰드에 나노분말 소결 원재료를 장약하고 진공 분위기(~10-3 Torr)에서 80 내지 100 MPa의 일축 압력을 가하게 된다. 약 1 내지 2시간 진공 분위기에서 압력을 유지한 후, 핫 프레스 내부 챔버를 Ar 분위기로 치환하며 약 4.5L/m의 속도로 Ar pursing을 실시한다. 이후 약 20℃/m의 속도로 600℃에 도달한 후 30분간 소결을 진행한다.Specifically, the nano powder sintered raw material is loaded into the graphite mold and uniaxial pressure of 80 to 100 MPa is applied in a vacuum atmosphere (~ 10 -3 Torr). After maintaining the pressure in a vacuum atmosphere for about 1 to 2 hours, the hot press inner chamber is replaced with an Ar atmosphere and Ar pursuit is performed at a rate of about 4.5 L / m. After reaching 600 ° C at a rate of about 20 ° C / m, sintering is carried out for 30 minutes.

상기 소결 원재료인 나노분말은 소결 전에 그 직경이 10 내지 40 ㎚를 유지하고 있기 때문에 표면적 감소를 이루려는 소결 구동력이 매우 크므로, 600℃에서 급속소결이 가능하다. 표면적 감소라는 구동력과 80 내지 100 MPa 압력에 의해 나노분말 간의 빈 공간은 매워지게 되며, 짧은 소결시간으로 인해 소결체의 결정성장은 상대적으로 적게 일어나게 된다.Since the nano powder as the raw material for sinter maintains a diameter of 10 to 40 nm before sintering, the sintering driving force for achieving a reduction in surface area is very high, and therefore rapid sintering at 600 ° C. is possible. The driving force of the reduction of the surface area and the pressure of 80 to 100 MPa cause the void space between the nano powder to be consumed and the crystal growth of the sintered body to be relatively small due to the short sintering time.

상기 소결시간이 30분 이상이면, 결정립 성장이 활발하게 발생하여 50 ~ 500 ㎚ 크기의 결정립을 얻기가 어려우며, 소결시간이 30분 미만이면 나노분말간의 소결이 미처 이루어지지 못해 고밀도의 소결체를 얻을 수 없어 바람직하지 않다.When the sintering time is more than 30 minutes, crystal grains grow actively and it is difficult to obtain crystal grains having a size of 50 to 500 nm. If the sintering time is less than 30 minutes, sintering between the nano powders can not be accomplished and a high- Not desirable.

이때, 상기 나노소결체의 결정립 크기는 50 ~ 500 ㎚로 제어되는데, 약 20 ㎛인 상용 열전소재 결정립 크기가 약 50 ㎚로 작아지게 되면 결정립 표면적은 같은 체적에서 약 400배 증가하게 된다. 또한 볼밀 등을 통해 일반적으로 1 ㎛ 크기의 결정립 크기를 제어하는 기존의 열전소재에 비하여 결정립 크기가 500 ㎚로 작아지게 되면 결정립 표면적은 2배 증가하게 된다.At this time, the grain size of the nano-sintered body is controlled to 50 to 500 nm. When the grain size of the commercial thermoelectric material of about 20 μm is reduced to about 50 nm, the grain surface area is increased about 400 times in the same volume. In addition, the grain surface area is doubled when the grain size is reduced to 500 nm compared to the conventional thermoelectric material which controls the grain size of 1 μm in general through a ball mill.

상기 소결 분위기는 진공 분위기이거나 Ar 분위기일 수 있으나, 진공 분위기일 경우 상기 소결 원재료인 나노분말의 표면에서 승화현상이 매우 활발하게 일어나며 이는 상용 열전소재에 비하여 넓은 나노분말의 표면적에 기인한 특성이다. 따라서 진공 분위기에서의 나노소결체는 내부에 기공이 많이 형성되며 전기적 특성이 저하되기에 바람직하지 않다.The sintering atmosphere may be a vacuum atmosphere or an Ar atmosphere. However, in a vacuum atmosphere, sublimation phenomenon occurs very actively on the surface of the nano powder as the raw material for sintering, which is a characteristic due to the surface area of a wide nano powder compared with a commercial thermoelectric material. Therefore, the nano-sintered body in a vacuum atmosphere is not preferable because many pores are formed therein and the electrical characteristics are deteriorated.

마지막으로, 핫 프레스를 이용하여 상기 소결 단계보다 100 내지 400℃의 범위의 낮은 온도에서 80 내지 100 MPa의 압력으로 나노소결체의 부피팽창을 억제하는 단계이다.Finally, the volume expansion of the nano-sintered body is suppressed at a pressure of 80 to 100 MPa at a temperature lower than the range of 100 to 400 DEG C by using a hot press.

구체적으로, 급속소결이 완료된 소결체는 흑연몰드와 함께 350℃까지 자연 냉각되며 이후 80 내지 100 MPa의 압력을 유지한 상태로 1시간 이내의 소결 후 열처리를 진행하게 된다.Specifically, the sintered body having undergone the rapid sintering is naturally cooled to 350 ° C. together with the graphite mold, and then the sintered body is sintered within 1 hour while maintaining the pressure of 80 to 100 MPa.

이 때, 상기 소결 후 열처리 온도는 340 ~ 360℃의 온도범위에서 수행하게 되는데 열처리 온도가 상기 범위 이상이면 소결체의 결정립 크기가 증가하게 되어 결정립 크기 제어에 어려움이 있으며 열처리 온도가 상기 범위 미만이면 소결체의 소성변형, 크랙 형성 및 파괴 등이 일어나게 된다.When the heat treatment temperature is higher than the above range, the grain size of the sintered body is increased, which makes it difficult to control the grain size. If the heat treatment temperature is lower than the above range, Plastic deformation, crack formation, and fracture of the substrate.

상기 소결 후 열처리 시간은 30분 내지 1시간 이내로 실시하게 되며 열처리 시간이 상기 범위 미만이면 나노소결체의 부피팽창을 억제하기 어려워 고밀도의 소결체를 제조할 수 없으며, 상기 범위 이상이면 소결체의 결정립 성장이 일어나 나노소결체의 결정립 크기 제어에 바람직하지 않다.If the heat treatment time is less than the above range, it is difficult to suppress the volume expansion of the nano-sintered body, so that a high-density sintered body can not be manufactured. If the range is over the range, the grain growth of the sintered body occurs It is not preferable for controlling the grain size of the nano-sintered body.

상기 열전 나노분말이 PbTe인 경우, 열전 나노소결체의 이론밀도는 8.164 g/㎤이고, 이론밀도 대비 최대 99%의 상대밀도를 보인다.When the thermoelectric nano powder is PbTe, the thermoelectric nano-sintered body has a theoretical density of 8.164 g / cm 3 and a relative density of 99% of theoretical density.

나노분말을 소결 원재료로 한 급속소결 공정은 약 600℃의 고온에서 80 내지 100 MPa의 고압으로 실시되기 때문에, 소결이 완료된 후 온도가 식는 과정에서 소결체에 가해지는 압력을 제거하면 약 10% 이상의 부피팽창이 발생하게 된다. 이 경우 이론밀도 대비 약 90%의 상대밀도를 보이는 열전 소결체가 제조되는데, 소결체의 전기적 특성이 매우 저하되어 열전소재로 사용되기에 바람직하지 않다.Since the rapid sintering process using the nano powder as a raw material for sintering is performed at a high pressure of about 80 to 100 MPa at a high temperature of about 600 ° C, when the pressure applied to the sintered body is removed in the process of cooling the temperature after the sintering is completed, Expansion occurs. In this case, a thermoelectric sintered body having a relative density of about 90% with respect to the theoretical density is produced. However, the electrical characteristics of the sintered body are very low, which is not desirable for use as a thermoelectric material.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by the following examples.

하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 하기 실시예는 단지 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.The following examples illustrate the present invention but are not to be construed to limit the scope of the present invention. The following examples are merely illustrative of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention. It is provided to fully inform the owner of the scope of the invention.

[실시예][Example]

PbTePbTe 나노분말의Of nano powder 전처리 Pretreatment

유기용매 기반으로 제조된 PbTe 나노분말(직경 약 35 ㎚)을 알루미나 보트에 장약한 후 쿼츠튜브(Quartz tube)에서 전처리를 실시하였다. 쿼츠튜브에 알루미나 보트를 위치시킨 후 진공 분위기(~10- 3Torr) 및 상온에서 1시간 동안 건조시켜서 나노분말에 포함되어 있는 유기용매 및 수분, 수산화기 등을 충분히 제거하였다. 이후 50℃/m의 승온속도로 350℃로 가열한 후 20분간 열처리를 진행하여 카르복실기와 같은 나노분말 내 잔류 유기물을 제거하였다.PbTe nanopowder (diameter: about 35 ㎚) prepared on an organic solvent was charged to an alumina boat and pretreated in a quartz tube. The alumina boat was placed in a quartz tube and dried in a vacuum atmosphere (~ 10 - 3 Torr) and at room temperature for 1 hour to sufficiently remove the organic solvent, moisture and hydroxyl groups contained in the nano powder. After heating at 350 ° C at a heating rate of 50 ° C / m, heat treatment was performed for 20 minutes to remove residual organic substances in the nanoparticles such as carboxyl groups.

350℃에서 열처리된 나노분말을 TEM 및 XRD를 통해 크기 및 결정성을 분석하였고 FT-IR 스펙트럼 분석을 통해 잔류 유기물의 존재 여부를 확인하였다.The size and crystallinity of the nanopowder heat-treated at 350 ℃ were analyzed by TEM and XRD. The presence of residual organic matter was confirmed by FT-IR spectral analysis.

도 5에 나타낸 바와 같이, (a)는 본 발명에 따른 전처리된 PbTe 나노분말의 TEM 이미지를 나타내는 도면으로, 전처리된 PbTe 나노분말의 크기 성장이 억제되었음을 알 수 있고, (b)는 본 발명에 따른 전처리된 PbTe 나노분말의 XRD 분석을 나타내는 도면으로, 전처리 후에도 변하지 않는 PbTe 상을 보여준다. 또한, (c)는 본 발명에 따른 전처리된 PbTe 나노분말의 FT-IR 스펙트럼 분석을 나타내는 도면으로, 1700㎝-1 영역과 3000㎝-1 영역에서 유기물 피크가 나오지 않아 전처리한 PbTe 나노분말 내 잔류 유기물이 효과적으로 제거되었음을 보여준다.As shown in Fig. 5, (a) (B) shows the XRD analysis of the pretreated PbTe nano powder according to the present invention; and FIG. 6 (b) shows the XRD analysis of the pretreated PbTe nano powder according to the present invention. It shows the PbTe phase which does not change even after the pretreatment. FIG. 5C is a graph showing FT-IR spectrum analysis of the pretreated PbTe nano powder according to the present invention. In FIG. 5C, residual peaks of PbTe nano powder pretreated without organic peak at 1700 cm -1 region and 3000 cm -1 region Indicating that organic matter has been effectively removed.

핫 프레스를 이용한 Using hot press 나노분말의Of nano powder 급속소결 Rapid sintering

전처리된 나노분말을 소결 원재료로 하여 직경 10 내지 20 ㎜의 흑연몰드를 통해 핫 프레스 소결을 진행하였다. 나노분말에 흑연몰드 및 펀치(도 2 참조)를 통하여 압력을 가해주었으며, 구체적으로 핫 프레스 챔버 내부는 진공 분위기(~10-3 Torr)를 1시간 유지하며 흑연몰드에 80 내지 100 MPa의 압력을 인가하였다. 이후 챔버 내부를 진공 분위기에서 Ar 분위기로 치환하였으며 약 4.5L/m의 속도로 Ar pursing을 계속 실시하였다. 이후 챔버 내부 온도를 600℃까지 20℃/m의 속도로 승온시켰으며 30분간 유지하여 급속소결을 진행하였다.Using the pretreated nano powder as a raw material for sintering, hot press sintering was carried out through a graphite mold having a diameter of 10 to 20 mm. Specifically, in the hot press chamber, a vacuum atmosphere (~ 10 -3 Torr) was maintained for 1 hour, and a pressure of 80 to 100 MPa was applied to the graphite mold. The pressure was applied to the nano powder through a graphite mold and a punch Respectively. Subsequently, the inside of the chamber was replaced with an Ar atmosphere in a vacuum atmosphere, and Ar pursuit was continued at a rate of about 4.5 L / m. Then, the internal temperature of the chamber was raised up to 600 ° C at a rate of 20 ° C / m and maintained for 30 minutes for rapid sintering.

급속소결 후 After rapid sintering 나노소결체의Nano-sintered 부피팽창 억제 Volume expansion inhibition

600℃에서 30분간 급속소결된 나노소결체는 이후 350℃까지 온도가 식게 되며 350℃에서 80 내지 100 MPa의 압력을 유지한 상태로 1시간의 소결 후 열처리를 실시하였다.The nano-sintered body rapidly sintered at 600 ° C for 30 minutes was then cooled to 350 ° C and heat-treated at 350 ° C for 1 hour while maintaining a pressure of 80-100 MPa.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 PbTe 열전 나노소결체의 TEM 이미지를 나타낸 도면으로 (a)는 스케일바가 200 ㎚일 때의 직경의 크기, (b)는 스케일바가 50 ㎚일 때의 직경의 크기, (c)와 (d)는 각각 서로 다른 관찰 부위로서, 스케일바가 20 ㎚일 때의 직경의 크기를 나타낸다. 상기 열전 나노소결체의 직경은 약 80㎚인 나노스케일의 미세구조임을 확인하였다.FIG. 1 is a TEM image of a PbTe thermoelectric nano-sintered body according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) shows the diameter of the scale bar when the scale bar is 200 nm, (C) and (d) show the magnitude of the diameter when the scale bar is 20 nm, respectively. It was confirmed that the thermoelectric nano-sintered body had a nanoscale microstructure with a diameter of about 80 nm.

[비교예 1][Comparative Example 1]

급속소결 후 열처리 공정을 생략한 것을 제외하고는, 실시예와 동일하게 진행하였다.And the heat treatment step after the rapid sintering was omitted.

[실험예 1][Experimental Example 1]

급속소결 후 열처리 유무 여부에 따른 나노소결체의 특성 비교를 실시하였다. 도 6에 나타낸 바와 같이 급속소결 후 열처리 공정을 생략하면 나노소결체의 부피팽창이 열처리 공정을 실시한 소결체에 비하여 10% 이상 일어났으며, 이에 따라 기계적 강도가 약하여 쉽게 파괴되며 낮은 전기전도도를 보였다.After the rapid sintering, the properties of the nano - sintered bodies were compared according to the presence or absence of heat treatment. As shown in FIG. 6, when the heat treatment step after the rapid sintering was omitted, the volume expansion of the nano-sintered body was more than 10% as compared with the sintered body subjected to the heat treatment, and thus the mechanical strength was weak and the electrical conductivity was low.

[비교예 2][Comparative Example 2]

시약업체에서 벌크 형태의 PbTe (직경 약 5 ㎛)를 구매한 후 열전도도를 측정하였다.The bulk of the PbTe (about 5 ㎛ in diameter) was purchased from the reagent manufacturer and the thermal conductivity was measured.

[실험예 2][Experimental Example 2]

본 발명의 일실시예에 따른 PbTe 열전 나노소결체의 열전도도를 상용 벌크 PbTe와 비교 분석하였다.The thermal conductivity of a PbTe thermoelectric nano-sintered body according to an embodiment of the present invention was compared with commercial bulk PbTe.

도 7에 나타낸 바와 같이, 상용 벌크 PbTe에 비해 PbTe 열전 나노소결체의 열전도도가 크게 저하됨을 확인할 수 있었다.As shown in Fig. 7, it was confirmed that the thermal conductivity of the PbTe thermoelectric nano-sintered body was significantly lower than that of commercial bulk PbTe.

따라서, 본 발명은 열전 나노분말로 급속소결 공정을 이용하여 형성된 열전 나노소결체 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 결정립 크기가 나노스케일로 제어된 미세구조에 의하여 열전도도가 기존 상용 열전소재에 비하여 크게 저하되어 고밀도 및 열전효율의 증대를 기대할 수 있다.Accordingly, the present invention relates to a thermoelectric nano-sintered body formed by a rapid sintering process using a thermoelectric nano powder and a method of manufacturing the same, and the thermal conductivity of the nano- Thereby increasing the density and the efficiency of the thermoelectric conversion.

Claims (11)

열전 나노분말을 열처리하여 형성된 결정립의 크기가 50 ~ 500 ㎚ 이내인 고효율 열전 나노소결체.A high - efficiency thermoelectric nano - sintered body having a grain size of 50 to 500 nm or less formed by thermally processing a thermoelectric nano powder. 제1항에 있어서,
상기 열전 나노분말은 PbTe, Bi2Te3, ZnO 및 Cu2S를 포함하는 그룹 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 열전 나노소결체.
The method according to claim 1,
The thermoelectric nano-powder is high-efficiency thermoelectric nano sintered body comprising the PbTe, Bi 2 Te 3, ZnO, and at least one selected from the group containing Cu 2 S.
제2항에 있어서,
상기 열전 나노분말이 PbTe일 때, 열전 나노소결체의 이론밀도는 8.164 g/㎤이고, 이론밀도 대비 최대 99%의 상대밀도를 보이는 것을 특징으로 하는 고효율 열전 나노소결체.
3. The method of claim 2,
Wherein when the thermoelectric nano powder is PbTe, the thermoelectric nano-sintered body has a theoretical density of 8.164 g / cm3 and a relative density of 99% of the theoretical density.
열전 나노분말을 전처리하는 단계;
상기 전처리된 열전 나노분말을 열처리하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고효율 열전 나노소결체의 제조방법.
Pretreating the thermoelectric nano powder;
And thermally treating the pretreated thermoelectric nano powder. The method of manufacturing a high-efficiency thermoelectric nano-sintered body according to claim 1,
제4항에 있어서,
상기 전처리하는 단계는 300 내지 400℃에서 5분 내지 40분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 고효율 열전 나노소결체의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the pre-treating step is performed at 300 to 400 ° C for 5 minutes to 40 minutes.
제4항에 있어서,
상기 열처리하는 단계는,
500 내지 700℃에서 급속소결을 진행하는 제1열처리단계;
상기 제1열처리단계보다 100 내지 400℃의 범위의 낮은 온도에서 열처리하는 제2열처리단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고효율 열전 나노소결체의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The step of heat-
A first heat treatment step of performing rapid sintering at 500 to 700 ° C;
And a second heat treatment step of performing heat treatment at a lower temperature in a range of 100 to 400 ° C than the first heat treatment step.
제4항에 있어서,
상기 열처리를 통하여 형성된 결정립의 크기가 50 ~ 500 ㎚ 이내인 것을 특징으로 하는 고효율 열전 나노소결체의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the size of the crystal grains formed through the heat treatment is within 50 to 500 nm.
제4항에 있어서,
상기 열전 나노분말은 PbTe, Bi2Te3, ZnO 및 Cu2S를 포함하는 그룹 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 열전 나노소결체의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The thermoelectric nano-powders PbTe, Bi 2 Te 3, ZnO and the method for manufacturing a high-efficiency thermoelectric nano sintered body characterized in that it comprises at least one member selected from the group containing Cu 2 S.
제8항에 있어서,
상기 열전 나노분말이 PbTe일 때, 열전 나노소결체의 이론밀도는 8.164 g/㎤이고, 이론밀도 대비 최대 99%의 상대밀도를 보이는 것을 특징으로 하는 고효율 열전 나노소결체의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the thermoelectric nano-sintered body has a theoretical density of 8.164 g / cm < 3 > and a relative density of 99% at the theoretical density when the thermoelectric nano powder is PbTe.
제6항에 있어서,
상기 제1열처리단계는, 1 내지 2시간 동안 진공 분위기에서 압력을 유지한 후, Ar 분위기로 치환하여 열처리하는 것을 특징으로 하는 고효율 열전 나노소결체의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the first heat treatment step comprises maintaining the pressure in a vacuum atmosphere for 1 to 2 hours, replacing the pressure in an Ar atmosphere, and heat-treating the heat-treated nano-sized sintered body.
제6항에 있어서,
상기 제1열처리단계 및 제2열처리단계는 80 내지 100 MPa의 압력 조건으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고효율 열전 나노소결체의 제조방법.

The method according to claim 6,
Wherein the first heat treatment step and the second heat treatment step are performed under a pressure of 80 to 100 MPa.

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CN108584886A (en) * 2018-04-28 2018-09-28 合肥工业大学 A kind of raising N-type Bi2Te2.4Se0.6The thermoelectricity capability of semiconductor and the preparation method of mechanical property

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