KR20180087964A - METHOD FOR MANUFACTURING Bi-Te BASED THERMOELECTRIC MATERIAL WITH CONTROLLED PARTICLE SIZE AND Bi-Te BASED THERMOELECTRIC MATERIAL MANUFACTURED THEREBY - Google Patents

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KR20180087964A
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연병훈
최종일
손경현
황병진
김종배
박재성
양승호
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희성금속 주식회사
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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a Bi-Te based thermoelectric material and, more specifically, to a novel method of improving thermoelectric properties by decreasing thermal conductivity through grain size control and maintaining high Seebeck coefficient and electric conductivity by uniformly pulverizing a metal ribbon, formed through rapid solidification (RSP), into particles through planetary mill, which is high energy milling, under inert atmosphere and sintering the particles. The method comprises the following steps: (i) dissolving and coagulating a raw material for a thermoelectric material containing a Bi raw material and a Te raw material to form a parent alloy; (ii) forming a metal ribbon through rapid cooling of the parent alloy; (iii) milling the metal ribbon to an average particle size (d50) of 20 μm or less by a planetary mill under inert atmosphere; and (iv) compressing the pulverized material to form a preform and pressing and sintering the preform.

Description

입도 제어에 따른 Bi-Te계 열전 재료의 제조 방법 및 이로부터 제조된 Bi-Te계 열전 재료{METHOD FOR MANUFACTURING Bi-Te BASED THERMOELECTRIC MATERIAL WITH CONTROLLED PARTICLE SIZE AND Bi-Te BASED THERMOELECTRIC MATERIAL MANUFACTURED THEREBY}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method of manufacturing a Bi-Te thermoelectric material according to particle size control, and a Bi-Te thermoelectric material produced therefrom. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 발명은, 열전발전에 사용되는 Bi-Te계 열전재료의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 급속응고(Rapid Solidification Process: R.S.P)를 통해 형성된 Bi-Te계 금속 리본을 비활성 분위기 하에서 고에너지 밀링인 유성밀링(planetary mill)을 통해 미립자 형태로 균일하게 분쇄한 후 가압소결함으로써, 입도 제어를 통해 낮은 열전도도를 확보하여 열전 특성이 향상되는 Bi-Te계 열전재료의 신규 제조방법 및 이로부터 제조된 Bi-Te계 열전재료에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a Bi-Te thermoelectric material for use in thermoelectric power generation, and more particularly, to a method of manufacturing a thermoelectric material for a thermoelectric generator, which comprises a Bi-Te system metal ribbon formed through Rapid Solidification Process (RSP) A method for manufacturing a Bi-Te thermoelectric material in which thermoelectric properties are improved by uniformly pulverizing and then pressing and sintering in the form of fine particles through a milling planetary mill to secure a low thermal conductivity through particle size control, The present invention relates to a Bi-Te thermoelectric material produced.

열전기술은 일반적으로 열에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 열에너지로 고체 상태에서 직접 변환하는 기술로서, 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열전발전 및 전기에너지를 열에너지로 변환하는 열전냉각 분야에 응용되고 있다. 이러한 열전발전 및 열전냉각을 위해 사용되는 열전재료는 열전특성이 증가할수록 열전소자의 성능이 향상된다. 그 열전성능을 결정하는 것은, 열기전력(V), 제벡 계수(α), 펠티어 계수(π), 톰슨 계수(τ), 네른스트 계수(Q), 에팅스하우젠 계수(P), 전기 전도율(σ), 출력 인자(PF), 성능 지수(Z), 무차원성능지수(ZT=α2σT/κ (여기에서, T는 절대온도이다)), 열전도율(κ), 로렌츠수(L), 전기 저항율(ρ) 등의 물성이다. 특히, 무차원 성능지수(ZT)는 열전 변환 에너지 효율을 결정하는 중요한 요소로서, 성능 지수(Z=α2σ/κ)의 값이 큰 열전 재료를 사용하여 열전 소자를 제조함으로써, 냉각 및 발전의 효율을 높일 수 있게 된다. 즉, 열전재료는 제벡 계수와 전기전도도가 높을수록, 열전도도가 낮을수록, 우수한 열전성능을 가지게 된다.Thermoelectric technology is a technology that directly converts heat energy into electric energy and electric energy into thermal energy in a solid state, and is applied to thermoelectric power generation for converting thermal energy into electric energy and thermoelectric cooling for converting electric energy into heat energy. The thermoelectric material used for such thermoelectric power generation and thermoelectric cooling improves the performance of the thermoelectric device as the thermoelectric property is increased. The determination of the thermoelectric performance is based on the assumption that the thermoelectric performance is determined based on the thermoelectric power V, the Seebeck coefficient?, The Peltier coefficient?, The Thomson coefficient?, The Nernst coefficient Q, the Etchinghausen coefficient P, ), The output factor (PF), the figure of merit (Z), the dimensionless figure of merit (ZT = α2σT / κ where T is the absolute temperature), thermal conductivity (κ), Lorentz number (L) ρ). In particular, the dimensionless figure of merit (ZT) is an important factor that determines the thermoelectric conversion energy efficiency. By manufacturing a thermoelectric element using a thermoelectric material having a high performance index (Z =? 2? /?), . That is, the thermoelectric material has a higher thermoelectric performance as the higher the Seebeck coefficient, the higher the electric conductivity, and the lower the thermal conductivity.

한편 열전재료는 미세하고, 균일한 입자를 이룰수록 열전성능을 보다 향상시킬 수 있다. 이를 위해, 일반적으로 용탕 분사법, 단순 파쇄법, 전해 전착법, 화학 공침법, 기계적 분쇄법 등의 방법을 통해 열전재료를 분말 형태로 제조한다. On the other hand, as the thermoelectric material is fine and the uniform particles are formed, the thermoelectric performance can be further improved. For this purpose, a thermoelectric material is generally produced in powder form through a method such as melt-spraying, simple crushing, electrolytic electrodeposition, chemical coprecipitation, or mechanical pulverization.

상기 용탕 분사법은 용탕을 분위기 중의 챔버에서 고속 분사하는 것으로, 대량 생산이 가능하지만 입도 제어가 불가능하다. 그리고, 단순 파쇄법은 일정 크기의 분말로 제조하기까지 장시간이 소요되며, 입도 제어 또한 불가능하다. 그리고, 화학 공침법 (석출법)은 미세 분말 제조가 가능하지만, 농도 제어에 어려움이 있으며, 단위분말이 아니라 뭉쳐진 상태 (agglomerated state)로 존재하는 단점이 있다. 그리고 기계 분쇄법은 분위기가 제어된 용기 내에 구형 볼과 볼의 기계적 운동에너지를 이용하여 분쇄하는 것으로서, 생산 속도가 느리고, 볼에 의한 불순물의 혼입 가능성도 있다. 이 외에도 졸겔법 등의 공정별 다양한 방법이 있다.The molten metal spraying method is a method in which molten metal is jetted at high speed in a chamber in an atmosphere, mass production is possible, but particle size control is impossible. In addition, the simple crushing method requires a long period of time to be made into powder of a predetermined size, and particle size control is also impossible. In addition, the chemical coprecipitation method (precipitation method) is capable of producing fine powder, but has difficulty in controlling the concentration and has a disadvantage in that it is present in an agglomerated state rather than as a unit powder. The mechanical pulverization method is a method of pulverizing a spherical ball and a ball using a mechanical kinetic energy in an atmosphere controlled container, and the production speed is low, and there is a possibility that impurities are mixed with balls. In addition, there are various methods for each process such as sol-gel method.

종래 기술로서, 대한민국 등록특허 제10-0228464호는 Bi2Te3-Sb2Te3계 재료를 용융하여 고압의 질소 가스 분무에 의한 급속응고법 (Atomizing법)으로 냉각함으로써, 미세하고 구형에 가까운 형상의 열전 변화 재료 분말을 제조하는 방법을 개시하였다. 또한 대한민국 등록특허 제10-0228463호는 Bi2Te3계 열전재료를 화학적으로 균질한 리본 형상으로 만들어 냉간 프레싱에 의해 가압 성형하고, 열간 프레싱에 의해 가압 소결하는 방법을 개시하였으며, 대한민국 등록특허 제10-0382599호는 PbTe계 열전재료를 용융 금속을 구리 블럭 안에서 냉각시켜 볼밀기로 파쇄하는 방법을 개시하였다. 또한, 대한민국 등록특허 제10-0440268호는 Bi2Te3-Sb2Te3계 열전재료를 용융하여 결정으로 성장시켜 응고한 후 수소 환원 처리하여 분쇄하여 분말을 형성하는 것이다. 그러나 전술한 종래 기술들은 일정한 크기를 갖는 나노 분말을 제조하기가 어려울 뿐만 아니라 대부분의 제조공정이 대기 중에서 이루어지므로, 대기 중의 산소로 인해 해당 열전재료 내 산화도를 낮게 조절하거나 또는 원하는 수준의 열전도도를 확보하기가 어려웠다. As a conventional technique, Korean Patent Registration No. 10-0228464 discloses a method of melting a Bi 2 Te 3 -Sb 2 Te 3 -based material and cooling it by a rapid solidification method (atomizing method) by spraying a high-pressure nitrogen gas to form a fine, Lt; / RTI > of the thermo-changeable material powder. Korean Patent No. 10-0228463 also discloses a method of forming a Bi 2 Te 3 thermoelectric material into a chemically homogeneous ribbon shape by press forming by cold pressing and pressing and sintering by hot pressing, 10-0382599 discloses a method of pulverizing a PbTe-based thermoelectric material with a ball mill by cooling molten metal in a copper block. In addition, Korean Patent No. 10-0440268 discloses a method of melting a Bi 2 Te 3 -Sb 2 Te 3 -based thermoelectric material, growing it into crystals, solidifying it, and then reducing it by hydrogen reduction to form a powder. However, since the above-described conventional techniques are difficult to produce nanopowders having a uniform size and most of the manufacturing processes are performed in the air, the degree of oxidation in the thermoelectric material is lowered due to oxygen in the atmosphere, .

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 급속응고법(RSP)을 통해 제조된 금속 리본을 비활성 분위기 하에서 분쇄하되, 미립자 형태로 균일하게 입도를 제어함으로써, 열전도도 감소, 높은 제벡계수 및 전기 전도도를 나타내어 우수한 열전성능을 확보할 수 있는 Bi-Te계 열전재료의 신규 제조방법 및 이로부터 제조된 Bi-Te계 열전재료를 제공하는 것을 목적으로 한다. Disclosure of the Invention The present invention has been conceived in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method for producing a metal ribbon by pulverizing a metal ribbon produced by rapid solidification (RSP) under an inert atmosphere, A Te-based thermoelectric material and a Bi-Te-based thermoelectric material produced from the same.

상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 (i) Bi 원료와 Te 원료를 포함하는 열전재료용 원료를 용해 및 응고시켜 모합금을 형성하는 단계; (ii) 상기 모합금을 급속냉각을 통해 금속 리본을 형성하는 단계; (iii) 상기 금속리본을 비활성 분위기하에서 유성밀링(planetary mill)에 의해 평균 입경(d50)이 20 ㎛ 이하가 되도록 분쇄하는 단계; 및 (iv) 상기 분쇄물을 압축하여 예비성형체를 형성한 후 가압소결하는 단계를 포함하는 Bi-Te계 열전재료의 제조방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a method for manufacturing a thermoelectric material, comprising the steps of: (i) dissolving and coagulating a raw material for a thermoelectric material containing a Bi raw material and a Te raw material to form a parent alloy; (ii) forming a metal ribbon through rapid cooling of the parent alloy; (iii) pulverizing the metal ribbon to an average particle size (d 50 ) of 20 μm or less by an planetary mill under an inert atmosphere; And (iv) compressing the pulverized material to form a preform, followed by pressure sintering.

여기서, 상기 단계 (i)에서 모합금 잉곳은 5N 이상의 고순도를 갖는 n형 Bi-Te-Se계 합금 또는 p형 Bi-Sb-Te계 합금인 것이 바람직하다. The mother alloy ingot in the step (i) is preferably an n-type Bi-Te-Se alloy or a p-type Bi-Sb-Te alloy having a high purity of 5N or more.

또한 본 발명은 전술한 방법에 의해 제조된 Bi-Te계 열전재료를 제공한다.The present invention also provides a Bi-Te thermoelectric material produced by the above-described method.

보다 구체적으로, 상기 Bi-Te계 열전재료의 밀도는 95~99% 이며, 열전도도가 0.65 ~ 1.0 W/mK이며, 열전 성능지수(ZT)는 1.0 이상일 수 있다. More specifically, the density of the Bi-Te thermoelectric material may be 95 to 99%, the thermal conductivity may be 0.65 to 1.0 W / mK, and the thermoelectric performance index ZT may be 1.0 or more.

본 발명은 급속응고법(R.S.P)을 적용하여 제조된 금속 리본을 산소가 비포함된 비활성 분위기 하에서 유성볼밀(planetary mill)을 통해 분쇄함에 따라, 고에너지 밀링에 의해 분쇄된 분말의 입도 제어를 통해 열전도도 감소, 높은 제벡계수 및 전기 전도도를 나타내어 보다 높은 열전성능을 확보할 수 있다. The present invention relates to a method for producing a metal ribbon by pulverizing a metal ribbon produced by rapid solidification (RSP) in a non-oxygen-containing inert atmosphere through a planetary mill, And a high thermoelectric performance can be secured by showing a high Seebeck coefficient and electrical conductivity.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조방법의 공정 순서도이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 금속 리본을 유성 밀링(planetary mill)에 의해 분쇄한 분쇄물의 입자 분포도이다.
도 3은 비교예 1에서 제조된 금속 리본을 막자사발(mortar)로 분쇄한 분쇄물의 입자 분포도이다.
도 4는 실시예 1과 비교예 1에서 제조된 Bi-Te계 열전재료의 열전도도 측정 결과이다.
도 5는 실시예 1과 비교예 1에서 제조된 Bi-Te계 열전 재료의 열전 성능지수(ZT) 측정 결과이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a process flow chart of a manufacturing method according to an embodiment of the present invention. FIG.
Fig. 2 is a particle distribution diagram of a ground product obtained by pulverizing the metal ribbon produced in Example 1 by a planetary mill. Fig.
3 is a particle distribution diagram of the pulverized product obtained by pulverizing the metal ribbon produced in Comparative Example 1 with a mortar.
Fig. 4 shows the results of measurement of the thermal conductivity of the Bi-Te thermoelectric material produced in Example 1 and Comparative Example 1. Fig.
Fig. 5 shows the results of measurement of the thermoelectric performance index (ZT) of the Bi-Te thermoelectric material prepared in Example 1 and Comparative Example 1. Fig.

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

일반적으로, 열전소재의 열전성능 평가 지표인 ZT는 하기 수학식 1과 같이 측정된다. Generally, ZT, which is an index of thermoelectric performance evaluation of a thermoelectric material, is measured by the following equation (1).

[수학식 1] ZT = (POWER FACTOR × (전기전도도)2 /열전도도) ×ΔT ZT = (POWER FACTOR x (electrical conductivity) 2 / thermal conductivity) x DELTA T

대부분의 금속소재의 경우, 전기전도도가 상승하면 비례적으로 열전도도가 상승하게 되므로, 열전도도가 높아질 경우 상대적으로 ZT가 현저히 감소하게 된다. 최근 열전소재 분야에서는 나노구조 개념으로 Power Factor, 전기전도도, 열전도도 등의 3가지 인자를 각각 독립적으로 제어하는 것을 연구하고 있으며, 급속냉각(R.S.P)을 통해 나노구조가 제어된 열전소재를 제조할 수 있다. 이로 인해 최종적으로 열전도도와 전기전도도를 각각 독립적으로 제어할 수 있어, 열전도도는 낮추고 전기전도도를 상승시키는 경우 ZT를 상승시킬 수 있다. 전술한 사항을 착안하여, 본 발명에서는 입도 제어를 통해 열전재료의 열전도도를 상대적으로 감소시킴으로써 열전재료의 열전 성능지수(ZT)를 상승시키고자 한다. For most metallic materials, as the electrical conductivity increases, the thermal conductivity increases proportionally, so the higher the thermal conductivity, the more the ZT is significantly reduced. In the field of thermoelectric materials, we are studying the control of three factors such as power factor, electric conductivity and thermal conductivity independently by the concept of nanostructure. We also manufacture thermoelectric material with controlled nano structure through rapid cooling (RSP) . As a result, the thermal conductivity and the electric conductivity can be controlled independently, and the ZT can be increased when the thermal conductivity is lowered and the electric conductivity is increased. In view of the foregoing, in the present invention, the thermal conductivity index ZT of the thermoelectric material is increased by relatively reducing the thermal conductivity of the thermoelectric material through particle size control.

본 발명은 n형 (Bi, Te, Se) 및 p형 (Bi, Te, Sb)계 Bi-Te계 열전소자용 재료, 바람직하게는 p형 재료의 금속리본 제조시 급속응고법 (Rapid Solidification Process: RSP)을 적용하여 리본 조성의 균일도를 제어할 수 있으며, 이와 동시에 산소가 비(非)포함된 비활성 분위기하에서 상기 금속리본을 고에너지 밀링의 일종인 유성밀링(planetary mill)을 통해 미립자 형태로 균일하게 분쇄함으로써 입도와 산화도 제어를 통해 열전도도 감소, 높은 제벡계수, 우수한 전기 전도도 등의 높은 열전성능을 발휘할 수 있다. The present invention relates to a material for a thermoelectric element of n-type (Bi, Te, Se) and p-type (Bi, Te, Sb) based Bi-Te system, preferably Rapid Solidification Process RSP) can be applied to control the uniformity of the ribbon composition. At the same time, under an inert atmosphere containing oxygen, the metal ribbon is uniformly dispersed in particulate form through a planetary mill, , It is possible to exhibit high thermoelectric performance such as reduction in thermal conductivity, high Seebeck coefficient and excellent electric conductivity through control of particle size and oxidation degree.

보다 구체적으로, 본 발명에서는 2 ~ 5㎜ 크기의 괴상형태의 고순도 Bi 및 Te을 함유하는 조성의 원료를 용융 및 응고시켜 모합금을 제조한 후, 제조된 모합금을 R.S.P에서 특정 온도(약 650~700℃)로 제어하여 조성 균일도가 향상된 열전소자용 Bi-Te계 리본을 제조하고, 이후 상기 열전소자 리본을 비활성 분위기 하에서 유성볼밀(planetary mill)을 통해 미세분말로 분쇄한 후, 가압 소결을 통해 고밀도 및 우수한 열전 특성을 가진 열전재료를 제조할 수 있다. More specifically, in the present invention, the mother alloy is produced by melting and solidifying a raw material having a composition containing high-purity Bi and Te having a size of 2 to 5 mm in size, To 700.degree. C.) to prepare a Bi-Te ribbon for a thermoelectric element having improved compositional uniformity. After that, the thermoelectric element ribbon is pulverized into a fine powder through a planetary mill in an inert atmosphere and then subjected to pressure sintering A thermoelectric material having high density and excellent thermoelectric properties can be produced.

전술한 방법을 통해 제조된 Bi-Te계 열전재료는 입도와 산화도 제어를 통해 낮은 열전도도를 확보할 수 있으며, 균일한 입도를 가지는 나노 크기의 비결정성 분말 형태이므로, 조성이 균질하고 고밀도 및 고강도 특성과 더불어, 열전성능을 더욱 향상시키게 된다.The Bi-Te thermoelectric material prepared through the above-described method can secure a low thermal conductivity through controlling the particle size and oxidation degree, and since it is a nano-sized amorphous powder having a uniform particle size, the composition is homogeneous, In addition to high strength properties, the thermoelectric performance is further improved.

또한 본 발명에서는 Bi2Te3계 열전재료 모합금의 목적 조성을 균일하게 제어할 수 있으므로, R.S.P 공정을 통한 리본(Ribbon) 제조시 균일도를 유지할 수 있으며 최종 제품의 열적 특성이 우수하다. 아울러, 나노블럭이 미세할수록 열전도도가 감소하여 우수한 열전성능(ZT)을 나타내는데, 본 발명에서는 R.S.P 공정 조건에 따라 리본(Ribbon)의 나노 블록 크기가 미세해짐에 따라 열적 특성이 보다 상승하게 된다. In addition, since the target composition of the Bi 2 Te 3 thermoelectric parent alloy can be uniformly controlled in the present invention, uniformity can be maintained in the production of ribbons through the RSP process, and the thermal characteristics of the final product are excellent. Further, as the nanoblock is finer, the thermal conductivity decreases to show an excellent thermoelectric performance (ZT). In the present invention, the thermal characteristic is further increased as the nano-block size of the ribbon becomes finer according to the RSP process conditions.

<Bi-Te계 열전재료의 제조방법>&Lt; Method of producing Bi-Te thermoelectric material &

이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 Bi-Te계 열전재료의 제조방법에 대해 설명한다. 그러나 하기 제조방법에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 또는 선택적으로 혼용되어 수행될 수 있다. Hereinafter, a method of manufacturing a Bi-Te-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following production methods, and the steps of each process may be modified or optionally mixed as required.

상기 제조방법의 바람직한 일 실시예를 들면, (i) Bi 원료와 Te 원료를 포함하는 열전재료용 원료를 용해 및 응고시켜 모합금을 형성하는 단계('S10 단계'); (ii) 상기 모합금을 급속냉각을 통해 금속 리본을 형성하는 단계('S20 단계'); (iii) 상기 금속리본을 비활성 분위기하에서 유성밀링(planetary mill)에 의해 평균 입경(d50)이 20 ㎛ 이하가 되도록 분쇄하는 단계 ('S30 단계'); 및 (iv) 상기 분쇄물을 압축하여 예비성형체를 형성한 후 가압소결하는 단계('S40 단계')를 포함하여 구성될 수 있다. For example, (i) a step of dissolving and solidifying a raw material for a thermoelectric material containing a Bi raw material and a Te raw material to form a parent alloy (step S10); (ii) forming a metallic ribbon through the rapid cooling of the parent alloy (step S20); (iii) milling the metal ribbon in an inert atmosphere by planetary mill so that the average particle diameter (d 50 ) is not more than 20 탆 (Step S30); And (iv) compressing the pulverized material to form a preform, followed by pressure sintering (step S40).

한편 도 1은 본 발명에 따른 Bi-Te계 열전재료의 제조방법을 각 단계별로 도시한 개념도이다. 이하, 도 1을 참고하여 상기 제조방법을 각 공정 단계별로 나누어 설명하면 다음과 같다.FIG. 1 is a conceptual diagram showing a method of manufacturing a Bi-Te thermoelectric material according to the present invention. Hereinafter, referring to FIG. 1, the manufacturing method will be described separately for each process step as follows.

(1) Bi-Te계 열전재료를 구성하는 원료를 용해 및 응고시켜 모합금을 형성한다('S10 단계').(1) Dissolve and solidify raw materials constituting the Bi-Te thermoelectric material to form a parent alloy (step S10).

본 단계는 Bi-Te계 열전재료를 구성하는 화학양론적 비율에 맞게 Bi계 원료와 Te계 원료를 혼합하고 용해, 응고시켜 n형 및/또는 p형 Bi-Te계 모합금, 바람직하게는 p형 Bi-Te계 모합금을 형성하는 단계이다. In this step, the Bi-based raw material and the Te-based raw material are mixed and dissolved and coagulated in accordance with the stoichiometric ratio constituting the Bi-Te-based thermoelectric material to form an n-type and / or p- Type Bi-Te alloy.

상기 S10 단계는 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 모합금을 제한 없이 형성할 수 있다. The step S10 may be performed without limitation on the mother alloy according to a conventional method known in the art.

보다 구체적으로, 상기 S10 단계의 바람직한 일례를 들면, (i-1) 제1원소; 및 제2원소를 포함하는 조성의 원료를 석영관(Quartz)에 장입한 후, 진공상태를 유지하는 단계('S10-1 단계'); 및 (i-2) 상기 진공상태의 석영관을 퍼니스(Locking furnace)에 장입한 후 650~700℃의 온도에서 1~3시간 동안 10~15회/분 속도로 교반 및 용해시켜 모합금을 형성하는 단계('S10-2 단계')를 포함하여 구성될 수 있다. More specifically, as a preferable example of the step S10, (i-1) a first element; And a second element, into a quartz tube and then maintaining a vacuum state (step S10-1); (I-2) The quartz tube in the vacuum state is charged into a locking furnace and stirred and melted at a temperature of 650 to 700 ° C for 1 to 3 hours at a rate of 10 to 15 times / minute to form a parent alloy (Step &lt; RTI ID = 0.0 &gt; S10-2) &lt; / RTI &gt;

먼저, (i-1) n형과 p형으로 구분되어 각각의 조성에 맞는 열전재료용 원료를 석영관에 장입한 후 용해를 위해 실링(Sealing)한다(이하 'S10-1 단계'라 함).First, (i-1) n-type and p-type raw materials for thermoelectric materials corresponding to respective compositions are charged into a quartz tube and sealed for dissolution (hereinafter referred to as step S10-1) .

본 발명에서 사용 가능한 열전재료용 원료는, Bi 및 Te를 주재로 하고, 여기에 n형과 p형에 따라 각각 Se 또는 Sb 성분을 추가로 포함하는 조성일 수 있다. 일례로, 상기 Bi 원료와 Te 원료는, Bi2Te3 ±0.2의 화학양론 조성에 따른 비율로 혼합될 수 있으며, 바람직하게는 Bi2Te3±0.15일 수 있다. The raw material for a thermoelectric material usable in the present invention may be a composition based on Bi and Te, and further containing Se or Sb components depending on the n-type and p-type, respectively. For example, the Bi raw material and the Te raw material may be mixed at a ratio according to the stoichiometric composition of Bi 2 Te 3 ± 0.2 , preferably Bi 2 Te 3 ± 0.15 .

본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 열전재료용 원료는, (i) Bi 및 Sb로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 제1원소; 및 Te 및 Se로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 제2원소를 포함하는 조성의 원료를 포함하는 조성일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the thermoelectric material raw material comprises (i) at least one first element selected from the group consisting of Bi and Sb; And at least one second element selected from the group consisting of Te and Se.

보다 구체적으로, 상기 n형 열전재료용 원료가 Bi-Te-Se계 합금 조성일 경우, 전체 100 중량%를 기준으로 Bi 50~55 중량%, Te 40~45 중량%, 및 Se 3~4 중량%를 포함하는 조성일 수 있다. 또한 p형 열전재료용 원료가 Bi-Sb-Te계 합금 조성일 경우, 전체 100 중량%를 기준으로 Bi 10~15 중량%, Sb 25~30 중량%, Te 55~60 중량%를 포함하는 조성일 수 있다. More specifically, when the raw material for the n-type thermoelectric material is a Bi-Te-Se alloy composition, it is preferable that 50 to 55% by weight of Bi, 40 to 45% by weight of Te, 3 to 4% . &Lt; / RTI &gt; When the raw material for the p-type thermoelectric material is a Bi-Sb-Te alloy, the composition may include 10 to 15% by weight of Bi, 25 to 30% by weight of Sb, and 55 to 60% have.

본 발명에서는 제조하고자 하는 열전재료의 조성에, 도핑원소 분말을 첨가할 수 있다. In the present invention, a doping element powder may be added to the composition of the thermoelectric material to be produced.

여기서 도핑 원소(dopant)는 Bi-Te계 열전재료가 n형 또는 p형 특성을 갖도록 하기 위해 도입된 것이므로, n형 또는 p형 열전 재료에 사용될 수 있는 당 분야의 통상적인 성분을 제한 없이 사용할 수 있다. 일례로 Al, Sn, Mn, Ag, Cu 및 Ga로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속일 수 있다. 전술한 금속 성분을 도핑함으로써, 전기전도도나 제벡 특성을 높여 열전 성능을 향상시킬 수 있다. 이때 도핑되는 상기 1종 이상의 금속 함량은 특별히 한정되지 않으며, 일례로 전체 중량 대비 0.001~1 중량% 범위일 수 있다. Here, since the dopant is introduced to make the Bi-Te thermoelectric material have n-type or p-type characteristics, conventional components in the field that can be used for n-type or p-type thermoelectric materials can be used without limitation have. For example, at least one metal selected from the group consisting of Al, Sn, Mn, Ag, Cu and Ga. By doping the above-mentioned metal component, it is possible to improve the electric conductivity and the anti-skew property to improve the thermoelectric performance. At this time, the content of the at least one kind of metal to be doped is not particularly limited, and may be in the range of 0.001 to 1% by weight based on the total weight.

상기와 같이 도입되는 도펀트는, 하기 실시되는 열처리 공정 등을 통해 격자 결합의 열역학적 에너지 차이 또는 원자확산의 구동력 등에 따라 Bi 또는 Te의 격자(lattice)를 치환하게 된다.The dopant introduced in this manner replaces Bi or Te lattice depending on the thermodynamic energy difference of the lattice coupling or the driving force of atomic diffusion through the following heat treatment process or the like.

본 발명에서 상기 열전재료의 크기와 형태는 특별히 한정되지 않으나, 약 2 내지 5mm 크기의 괴상 형태일 수 있다. 또한 상기 열전재료의 순도는 5N 이상의 고순도인 것이 바람직하다. In the present invention, the size and shape of the thermoelectric material are not particularly limited, but may be in the form of a block having a size of about 2 to 5 mm. The purity of the thermoelectric material is preferably 5 N or more.

전술한 열전재료용 원료를 석영관(Quartz)에 장입한 후 진공펌프를 이용하여 실링(Sealing)한 후 진공상태를 유지하도록 한다. The raw material for the thermoelectric material described above is charged into a quartz tube, sealed by using a vacuum pump, and maintained in a vacuum state.

(i-2) 상기 S10-1 단계의 석영관을 퍼니스(Locking Furnace)를 이용하여 각각의 n형 및 p형 모합금을 제조한다(이하 'S10-2 단계'라 함).(i-2) Each of the n-type and p-type parent alloys is manufactured by using a furnace of a quartz tube of step S10-1 (hereinafter referred to as step S10-2).

상기 S10-2 단계의 바람직한 일례를 들면, 진공상태에서 실링된 석영관을 퍼니스에 장입한 후 용해를 위해 약 650~700℃ 온도에서 1~3시간 동안, 10~15회/분의 속도로 교반하고 용해시켜 모합금을 형성한다. In a preferred example of step S10-2, a quartz tube sealed in a vacuum state is charged into a furnace and stirred at a temperature of about 650 to 700 DEG C for 1 to 3 hours at a rate of 10 to 15 times / And dissolves to form the parent alloy.

급속응고법(R.S.P)을 이용하여 리본(Ribbon)을 제조하기 위해서는, 균일한 Bi2-Te3계 열전재료의 모합금을 제조하여야 한다. 이에, 본 발명에서는 Φ 30 * 100㎜ 모합금이나 대략 Φ 20~30 * 100~150㎜ 크기 범위의 모합금을 제조할 수 있다. In order to produce ribbons using Rapid Solidification (RSP), a homogeneous master alloy of Bi 2 -Te 3 -based thermoelectric materials should be prepared. Accordingly, in the present invention, a Φ 30 * 100 mm parent alloy or a parent alloy having a size in the range of about Φ 20 to 30 × 100 to 150 mm can be produced.

상기 S10-2 단계를 통해 제조된 모합금 잉곳은 5N 이상의 고순도를 갖는 Bi-Te계일 수 있다. 일례로 n형 Bi-Te-Se계 합금 또는 p형 Bi-Sb-Te계 합금일 수 있으며, 바람직하게는 p형 Bi-Sb-Te계 합금일 수 있다. The mother alloy ingot produced through step S10-2 may be a Bi-Te system having a high purity of 5N or more. For example, it may be an n-type Bi-Te-Se alloy or a p-type Bi-Sb-Te alloy, preferably a p-type Bi-Sb-Te alloy.

(2) 상기 S10-2 단계에서 얻은 n형 및/또는 p형 모합금을 용융 방사하여 금속 리본을 형성한다(이하 'S20 단계'라 함).(2) The n-type and / or p-type parent alloy obtained in the step S10-2 is melt-spun to form a metal ribbon (hereinafter referred to as step S20).

본 단계에서는 이전 단계에서 수득된 Bi-Te계 모합금을 급속 응고법(R.S.P)을 통해 복합 미세구조를 갖는 Bi-Te계 금속리본을 제조한다. In this step, the Bi-Te system alloy obtained in the previous step is subjected to rapid solidification (R.S.P.) to produce a Bi-Te system metal ribbon having a complex microstructure.

상기 S20 단계의 바람직한 일례를 들면, 상기 모합금 잉곳을 용융 방사 장비에 설치된 노즐에 장입한 후 열을 공급하고 지속적으로 유지할 수 있는 발열체를 이용하여 완전히 용해시켜 용융물을 형성하고, 이후 상기 용융물에 불활성 가스를 가압하고 분사시켜, 회전하는 고속회전 휠(wheel) 표면에 용융물을 접촉시켜 급속 냉각시키는 것이다. 이를 통해 Bi-Te계 금속 리본이 형성된다. In a preferred example of step S20, the mother alloy ingot is charged into a nozzle provided in a melt spinning machine, and then the melt is completely melted using a heating body capable of continuously supplying and supplying heat, and then the melt is inert The gas is pressurized and injected so that the melt is brought into contact with the surface of the rotating high-speed rotating wheel so as to be rapidly cooled. Thereby forming a Bi-Te-based metal ribbon.

여기서, 상기 발열체는 열을 지속적으로 공급하고 유지시킬 수 있다면 특별히 한정되지 않으며, 당 분야에 알려진 통상적인 저항 발열체를 사용할 수 있다. 일례로, 전류를 공급받아 발열하는 저항 발열체를 사용할 수 있다. 사용 가능한 저항 발열체의 예를 들면, 전기로 타입의 히터, 예컨대 그래파이트 히터로 온도를 제어할 수 있다. Here, the heating element is not particularly limited as long as it can continuously supply and maintain heat, and a conventional resistance heating element known in the art can be used. For example, a resistor A heating element can be used. For example, the temperature of the resistance heating body can be controlled by using an electric furnace type heater such as a graphite heater.

이때 저항 발열체가 발열하는 온도 범위는 Bi-Te계 모합금을 완전히 용해시킬 수 있는 범위이기만 하면 특별히 한정되지 않으며, 일례로 500~800℃, 바람직하게는 650~700℃ 범위로 유지되는 것이다. 상기 저항 발열체의 표면 저항은 이의 두께 및 종류에 따라 조절될 수 있으며, 일례로 0.1 내지 100옴(Ω) 범위 내에서 조절될 수 있다.The temperature range at which the resistance heating element generates heat is not particularly limited as long as it can completely dissolve the Bi-Te alloy. For example, it is maintained in the range of 500 to 800 ° C, preferably 650 to 700 ° C. The surface resistance of the resistance heating body may be adjusted depending on its thickness and type, and may be adjusted within a range of 0.1 to 100 ohm (ohm), for example.

또한 비활성 가스의 종류나 가압 범위 역시 특별히 한정되지 않으나, 일례로 아르곤 가스 등을 이용하여 0.1 내지 0.5MPa 범위로 가압 분사시키는 것이 바람직하다. Also, the type and pressure range of the inert gas are not particularly limited, but it is preferable to pressurize the inert gas to 0.1 to 0.5 MPa using argon gas or the like.

상기 S20 단계에서, 상기 용융물과 접촉하는 상기 고속회전 휠은 당 분야에 알려진 통상적인 휠을 사용할 수 있으며, 일례로 구리 휠(Cu wheel) 등이 있다. 여기서 고속회전 휠(wheel)의 회전 속도는 특별히 한정되지 않으며, 일례로 500 내지 2,000rpm일 수 있으며, 휠 선속도는 5m/s 내지 40 m/s 범위일 수 있다. 전술한 조건을 만족할 경우 휠의 표면과 접촉하는 용융물이 급속 냉각됨과 동시에 두께가 얇고 미세구조를 갖는 합금 리본이 형성될 수 있다.In step S20, the high-speed rotary wheel in contact with the melt may use a conventional wheel known in the art, such as a copper wheel. Here, the rotation speed of the high-speed rotation wheel is not particularly limited, and may be, for example, 500 to 2,000 rpm, and the wheel line speed may range from 5 m / s to 40 m / s. When the above-mentioned conditions are satisfied, the melt contacting the surface of the wheel is rapidly cooled, and at the same time, an alloy ribbon having a thin thickness and a fine structure can be formed.

본 발명에서는, 용해된 모합금의 냉각속도를 조절함으로써, 균일 입도 제어가 가능하며, 일반적으로 냉각속도가 느린 경우 나노 크기의 비결정성 분말을 제조할 수 있으며, 또는 미립자 분말의 제조가 가능하게 된다. 또한, 원료의 농도와 종류에 따라 제조 조건을 달리하여 제조할 수 있다.In the present invention, by controlling the cooling rate of the molten parent alloy, it is possible to control the uniform particle size, and in general, when the cooling rate is slow, nano-sized amorphous powder can be produced, or fine particle powder can be produced . In addition, the production conditions can be varied depending on the concentration and kind of the raw material.

전술한 공정을 거친 모합금은 급속냉각(RSP) 공정을 통해 결정질이 되는 것이 아니라 비결정성 조직과 결정성 조직이 혼재(婚材)된 상태로 응고되게 된다. 이때, 급속냉각 속도가 매우 빠른 경우에는 리본 형태로 제조가 되지만, 냉각속도를 조절하면 수백 나노미터 크기를 가지는 분말이 단순 연결된 반리본 상으로도 제조할 수도 있다. The parent alloy, which has undergone the above-described processes, is not crystallized through the rapid cooling (RSP) process, but is solidified while the amorphous structure and the crystalline structure are mixed. In this case, if the rapid cooling rate is very fast, it is produced in the form of a ribbon. However, if the cooling rate is controlled, the powder having a size of several hundred nanometers can be also produced as a simple connected semi-ribbon.

전술한 S20 단계의 급속냉각을 통해 두께가 얇은 Bi-Te계 열전재료 리본이 형성된다. 일례로, 제조된 금속리본의 길이는 5 내지 15mm이며, 폭은 0.5 내지 5mm일 수 있다. A thin Bi-Te thermoelectric material ribbon is formed through the rapid cooling of step S20 described above. In one example, the length of the produced metal ribbon is 5 to 15 mm and the width may be 0.5 to 5 mm.

(3) 비활성 분위기 하에서 유성볼밀을 통해 금속리본을 분쇄한다(이하 'S30 단계'라 함).(3) The metallic ribbon is pulverized through an oil-based ball mill under an inert atmosphere (hereinafter referred to as step S30).

상기 S30 단계는 용해된 모합금의 직접 분사에 의해 급속 응고된 취성이 높은 리본상 원료를 고에너지 밀링의 일종인 유성볼밀(planetary mill)을 이용하여 파쇄하여 균일한 입도와 형상을 가지는 나노 크기의 비결정성 미세분말을 수득한다. In step S30, the high-brittle ribbon-like material rapidly solidified by direct injection of the molten parent alloy is crushed using a planetary mill, which is a type of high-energy milling, to produce nano-sized An amorphous fine powder is obtained.

기존 분쇄공정에 많이 이용되는 공정으로는 유발(mortar)이나 볼밀법 등이 있다. 유발은 고체를 곱게 분쇄하는 수동식 분쇄장치로서, 취급이 용이하고 가격이 저렴한 반면, 분쇄된 분말의 입도 제어가 힘들고 분쇄효율을 향상시키기 어렵다. Processes commonly used in conventional grinding processes include mortar and ball milling. The induction is a manual grinding apparatus for finely pulverizing solids, which is easy to handle and inexpensive, while it is difficult to control the particle size of the pulverized powder and it is difficult to improve the grinding efficiency.

또한 볼밀법(ball mill)은 분쇄 대상물과 볼을 투입한 후, 중심축을 기준으로 한 원통의 회전에 의해 내부에 있는 세라믹볼이 낙하하여 분쇄 대상물을 분쇄하는 원리이다. 이러한 볼밀법은 일반적으로 회전속도(rpm)를 높일수록 분쇄효율이 증가하게 되나, 일정속도 이상 회전력을 높이면 세라믹볼에 작용하는 원심력과 구심력이 평형을 이루게 되면서 세라믹볼이 더 이상 낙하하지 않아 분쇄가 발생하지 않게 되므로 분쇄효율을 향상시키는 데 한계가 있다. In addition, the ball mill is a principle in which after the object to be ground and the ball are put in, the ceramic ball inside falls by the rotation of the cylinder with respect to the central axis to crush the object to be ground. Generally, as the rotation speed (rpm) of the ball mill increases, the crushing efficiency increases. However, if the rotation speed of the ball exceeds a predetermined speed, the centrifugal force acting on the ceramic ball becomes equal to the centrifugal force. There is a limit in improving the grinding efficiency.

이에 비해, 유성볼밀(planetary mill)은 고에너지 밀링의 일종으로서, 용기가 서로 다른 회전축을 기준으로 공전과 자전을 동시에 함으로써, 2개의 서로 다른 회전축을 가진 회전력을 통해 내부의 세라믹볼의 회전을 극대화하여 분쇄 대상물의 분쇄 효율을 극대화한다. 이에 따라, 단시간 내 미세하고 균일한 분말을 얻을 수 있다. In contrast, the planetary mill is a type of high-energy milling that maximizes the rotation of the ceramic ball inside through the rotation of two different rotating shafts by allowing the vessel to revolve and rotate at different rotational axes Thereby maximizing the grinding efficiency of the object to be ground. As a result, a fine and uniform powder can be obtained in a short time.

상기 S30 단계의 일 실시예를 들면, 금속리본과 볼(ball)을 공자전하는 용기에 투입한 후 유성밀링을 실시한다. In one embodiment of the step S30, a metallic ribbon and a ball are put into a container for conducting a magnetic field, and oil milling is performed.

이때, 상기 볼은 당 분야에 공지된 세라믹 볼을 제한없이 사용할 수 있으며, 일례로 지르코니아 볼, STS BALL, SKD-11 BALL 등을 사용할 수 있다. 또한 볼의 크기는 1 내지 5Φ일 수 있으나 이에 제한되지 않으며, 분쇄 대상물의 크기나 양을 고려하여 적절히 조절할 수 있다. At this time, the balls may be any of ceramic balls well known in the art, and examples thereof include zirconia balls, STS ball, and SKD-11 ball. Also, the size of the balls may be 1 to 5, but is not limited thereto, and can be appropriately adjusted in consideration of the size and amount of the object to be ground.

또한 금속리본과 볼의 무게비는 5~15 : 1일 수 있으며, 바람직하게는 7~12 : 1 일 수 있다. Also, the weight ratio of the metal ribbon and the ball may be 5 to 15: 1, and preferably 7 to 12: 1.

상기 S30 단계에서, 유성볼밀 조건의 바람직한 일례를 들면, 100 내지 500 rpm의 회전속도로 10 내지 120분 동안 실시할 수 있다. 전술한 조건 하에서 유성볼밀 분쇄를 실시할 경우, 분쇄물의 입도를 낮게 제어하여 균일한 미립자를 확보할 수 있다 In the step S30, a preferable example of the conditions of the planetary ball milling can be carried out at a rotation speed of 100 to 500 rpm for 10 to 120 minutes. When the planetary ball milling is carried out under the above-mentioned conditions, the particle size of the pulverized product can be controlled to be low to ensure uniform fine particles

본 발명에서는 금속리본의 산화도 제어를 위해서, 전술한 유성볼밀 분쇄 공정을 비활성 분위기하에서 실시할 수 있다. 이와 같이 산소가 비포함된 조건에서 분쇄를 실시함에 따라, 분쇄된 분말 내 산소 함량을 감소시켜 산화도를 낮게 제어할 수 있다. 일례로, 본 발명에서는 산소가 포함된 대기 조건하에서 분쇄를 실시한 것에 비해, 대략 30% 이상, 구체적으로 30~45%의 산소 함량을 감소시킬 수 있으며, 바람직하게는 당해 분쇄물 내 산소 함량을 0.03% 이하로 제어할 수 있. In the present invention, in order to control the oxidation degree of the metal ribbon, the aforementioned planetary ball milling step can be carried out under an inert atmosphere. By performing the pulverization under such a condition that oxygen is not contained, the oxygen content in the pulverized powder can be reduced and the degree of oxidation can be controlled to be low. For example, in the present invention, it is possible to reduce the oxygen content of about 30% or more, specifically 30 to 45%, and preferably the oxygen content in the pulverized product to 0.03 % Or less.

이때 비활성 가스의 종류나 압력 범위 역시 특별히 한정되지 않으며, 일례로 질소 가스, 아르곤 가스 또는 이들이 혼합된 분위기일 수 있다. At this time, the type and pressure range of the inert gas are not particularly limited. For example, nitrogen gas, argon gas, or mixed atmosphere thereof may be used.

전술한 S30 단계의 유성볼밀(planetary mill) 공정을 거쳐 분쇄된 Bi-Te계 분말의 입경은 기존 볼밀(ball mill) 또는 유발(mortar)에 의해 분쇄된 분말의 입경 대비 1/9 ~ 1/10 수준일 수 있다. 일례로, Bi-Te계 분말의 평균 입경(d50)은 20 ㎛ 이하일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 15㎛ 범위일 수 있다. The particle size of the ground Bi-Te powder through the planetary mill process of the step S30 described above is 1/9 to 1/10 of the particle diameter of the powder ground by the existing ball mill or mortar Level. For example, the average particle diameter (d 50 ) of the Bi-Te-based powder may be 20 탆 or less, and preferably in the range of 1 to 15 탆.

(4) 이후, 상기 S30 단계에서 얻은 금속 리본의 분쇄물을 압축 공정을 통해 예비 성형체를 제조한 후, 가압 소결을 통해 고밀도의 열전 소재를 제조한다(이하 'S40 단계'라 함).After step (4), the preform is produced through a compression process of the pulverized product of the metal ribbon obtained in step S30, and then a high-density thermoelectric material is produced through pressure sintering (hereinafter referred to as step S40).

본 S40 단계에서는, 가압소결 공정에서의 고밀도를 확보하기 위해 일정 형상의 성형체를 제조한다. In this step S40, a molded body having a predetermined shape is manufactured to secure a high density in the pressure sintering process.

이를 위해, 상기 S30 단계에서 파쇄된 나노 크기의 비결정성 분말 형태를 압축한다. 이때 압축 공정은 당 분야에 알려진 통상적인 방법을 사용할 수 있으며, 일례로 성형 프레스, 또는 압축기를 이용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 압축 조건은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 알려진 통상적인 압축 조건하에서 적절히 조절할 수 있다. 일례로 10 MPa 이하에서 압축하는 것이 바람직하다. For this, the nano-sized amorphous powder form crushed in step S30 is compressed. At this time, a conventional method known in the art can be used for the compression process. For example, it is preferable to use a molding press or a compressor. The compression conditions are not particularly limited and can be suitably adjusted under ordinary compression conditions known in the art. For example, compression at 10 MPa or less is preferable.

이후, 상기에서 얻은 예비 성형체를 가압소결을 통해 고밀도의 열전 재료를 제조한다.Thereafter, the preform thus obtained is press-sintered to produce a high-density thermoelectric material.

본 발명에서 사용 가능한 가압소결법의 비제한적인 예로는 핫 프레스(Hot Press, HP) 또는 방전플라즈마(Spark Plasma Sintering, SPS) 등과 같은 고온 가압 성형법이 있다. Non-limiting examples of pressure sintering methods that can be used in the present invention include hot press forming methods such as Hot Press (HP) or Spark Plasma Sintering (SPS).

여기서, 상기 열간가공의 온도는 특별히 제한되지 않으나, 일례로 400 내지 500℃ 범위의 온도에서 3 내지 10분 동안 40 내지 60MPa 압력으로 제조하는 것이 바람직하다. 상기 열간가공시의 조건(온도, 시간, 압력)이 400℃, 3분 또는 40MPa 미만일 경우에는 고밀도의 소재를 얻을 수 없으며, 상기 조건이 500℃를 초과하거나 또는 시간이 10분을 초과할 경우, Te의 증기압이 높아 휘발되어 목적 조성에 적합하지 않게 되며, 이로 인해 열전 성능 지수가 저하될 가능성이 높다. 또한 압력이 60MPa를 초과할 경우에는 적용 몰드 및 장비의 위험을 초래할 수 있다.Here, the temperature of the hot working is not particularly limited, but it is preferable that the hot working is performed at a temperature in the range of 400 to 500 占 폚 and a pressure of 40 to 60 MPa for 3 to 10 minutes. When the conditions (temperature, time, pressure) at the time of hot working are 400 ° C., 3 minutes or less than 40 MPa, a high-density material can not be obtained. When the condition exceeds 500 ° C. or the time exceeds 10 minutes, The vapor pressure of Te is high and volatilized, which makes it unsuitable for the intended composition, and thus the thermoelectric performance index is likely to be lowered. Also, if the pressure exceeds 60 MPa, it may lead to danger of the applied mold and equipment.

전술한 제조방법을 통해 제조된 본 발명의 Bi-Te계 열전재료는 밀도가 95~99% 범위, 바람직하게는 약 97% 이상이다. 또한 기존 유발(mortar)로 분쇄된 대조군(비교예 1)보다 대략 평균입경(d50)이 1/10 수준의 미립자를 확보하여, 입도를 제어할 수 있다. 또한 열전도도는 0.65~1.0 W/mK 범위이다. 아울러, 열전 성능지수(ZT)는 P type의 경우 약 1.0 이상일 수 있으며, 바람직하게는 약 1.0~1.2 범위이다. 이는 급속응고법(R.S.P) 공정에서 제조된 리본의 나노 블록이 미세하고, 이후 비활성 분위기 하에서 유성볼밀(planetary mill)에 의해 분쇄시, 입도와 산화도가 조절되어 열전도도 특성이 감소함에 따라 ZT 값이 향상된 것으로 보여진다.The Bi-Te thermoelectric material of the present invention produced through the above-described production method has a density of 95 to 99%, preferably 97% or more. In addition, the particle size can be controlled by securing fine particles having an average particle diameter (d 50 ) of about 1/10 as compared with the control group (Comparative Example 1) pulverized with mortar. The thermal conductivity is also in the range of 0.65 to 1.0 W / mK. In addition, the thermoelectric performance index ZT can be about 1.0 or more in the case of the P type, and is preferably in the range of about 1.0 to 1.2. This is due to the fact that the nanoblocks of the ribbons produced in the rapid solidification process (RSP) process are fine, and then the particle size and oxidation degree are controlled when milled by a planetary mill under an inert atmosphere, It seems to be improved.

이하, 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 한 형태를 예시하는 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described concretely with reference to Examples. However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of one form of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following Examples and Experimental Examples .

[[ 실시예Example 1] One]

약 2~5mm의 괴상형태이며, 5N 이상의 고순도를 갖는 Bi, Te, 및 Sb를 함유하는 열전재료를 준비하였다. p형의 경우, Bi 13 wt%, Sb 28 wt%, Te 59 wt%을 갖도록 하였다. 해당 열전재료를 석영관(Quartz)에 장입한 후 진공펌프를 이용하여 실링(Sealing)하였다. 석영관(Quartz)을 Locking Furnace에 장입한 후 약 700℃에서 2시간, 10회/min 속도로 교반 및 용해하여 Φ 30 * 100㎜ 모합금 잉곳을 제조하였다. 이후 모합금 잉곳을 용융 방사 장비에 설치된 노즐에 장입하여 저항 발열체(그라파이트 히터로서 노즐을 감싸는 구조)를 이용하여 약 700℃ 온도로 완전히 용해시켜 용융물을 형성한 후, 상기 용융물에 불활성 가스를 0.2MPa로 가압하여 분사시킴으로써, 회전하는 구리 휠(Cu wheel) 표면에 접촉하여 급속 냉각됨에 따라 Bi-Te계 금속 리본(길이: 10mm, 폭: 2mm)을 형성하였다. 이때 구리 휠의 회전 속도는 1000 rpm으로 진행하였다. A thermoelectric material containing Bi, Te, and Sb having a mass of about 2 to 5 mm and a high purity of 5 N or more was prepared. In the case of p-type, 13 wt% of Bi, 28 wt% of Sb, and 59 wt% of Te were used. The thermoelectric material was charged into a quartz tube and then sealed using a vacuum pump. The quartz tube was charged into a locking furnace and stirred and melted at about 700 ° C for 2 hours at a rate of 10 times / min to prepare a Φ 30 * 100 mm parent alloy ingot. Thereafter, the mother alloy ingot was charged into a nozzle provided in a melt-spinning apparatus, and completely melted at a temperature of about 700 ° C using a resistance heating body (a structure wrapping the nozzle as a graphite heater) to form a melt. A Te-based metal ribbon (length: 10 mm, width: 2 mm) was formed by contacting with the surface of a rotating copper wheel by rapid cooling. At this time, the rotation speed of the copper wheel was 1000 rpm.

이후 입도를 제어하고자, 형성된 금속 리본을 아르곤(Ar) 분위기 하에서 유성볼밀(planetary mill) 장치에 투입한 후, 300 rpm의 회전속도로 30분 동안 분쇄하였다. 이때 사용된 지르코니아 볼의 크기는 5Φ이었으며, 금속리본과 볼의 무게비는 10 : 1이었다. 이때 대기조건하에서 분쇄하였을 때보다 약 30% 이상의 산소 함량을 낮게 제어할 수 있었다. 상기 분쇄된 분말을 방전플라즈마 소결(spark plasma sintering: SPS)을 이용하여 약 485℃에서 3분 유지, 50MPa 압력을 유지하여 상대밀도 99% 이상의 고밀도 Bi-Te계 p형 재료를 제조하였다.Then, to control the particle size, the formed metal ribbon was put into a planetary mill apparatus under an argon (Ar) atmosphere, and then pulverized at a rotation speed of 300 rpm for 30 minutes. The size of the zirconia balls used was 5Φ, and the weight ratio between the metal ribbon and the balls was 10: 1. At this time, the oxygen content of about 30% or more could be controlled to be lower than that when pulverized under atmospheric conditions. The pulverized powder was maintained at about 485 ° C for 3 minutes by using spark plasma sintering (SPS), and a high density Bi-Te p-type material having a relative density of 99% or more was produced at a pressure of 50 MPa.

[[ 비교예Comparative Example 1] One]

약 2~5mm의 괴상형태이며, 5N 이상의 고순도를 갖는 Bi, Te 및 Sb를 함유하는 열전재료를 준비하였다. p형의 경우, Bi 13 wt%, Sb 28 wt%, Te 59 wt%을 갖도록 하였다. 해당 열전재료를 석영관(Quartz)에 장입한 후 진공펌프를 이용하여 실링(Sealing)하였다. 석영관(Quartz)을 Locking Furnace에 장입한 후 약 700℃에서 2시간, 10회/min 속도로 교반 및 용해하여 Φ 30 * 100㎜ 모합금 잉곳을 제조하였다. 이후 모합금 잉곳을 용융 방사 장비에 설치된 노즐에 장입하여 저항 발열체(그라파이트 히터로서 노즐을 감싸는 구조)를 이용하여 완전히 용해시켜 용융물을 형성한 후, 상기 용융물에 불활성 가스를 0.2MPa로 가압하여 분사시킴으로써, 회전하는 구리 휠(Cu wheel) 표면에 접촉하여 급속 냉각됨에 따라 Bi-Te계 금속 리본(길이: 10mm, 폭: 2mm)을 형성하였다. 이때 구리 휠의 회전 속도는 1000rpm으로 진행하였다.A thermoelectric material containing Bi, Te and Sb having a mass of about 2 to 5 mm and a high purity of 5 N or more was prepared. In the case of p-type, 13 wt% of Bi, 28 wt% of Sb, and 59 wt% of Te were used. The thermoelectric material was charged into a quartz tube and then sealed using a vacuum pump. The quartz tube was charged into a locking furnace and stirred and melted at about 700 ° C for 2 hours at a rate of 10 times / min to prepare a Φ 30 * 100 mm parent alloy ingot. Thereafter, the mother alloy ingot was charged into a nozzle provided in the melt spinning apparatus, and completely melted using a resistance heating body (a structure wrapping the nozzle as a graphite heater) to form a melt, and then the inert gas was injected into the melt at 0.2 MPa for injection , A Bi-Te-based metal ribbon (length: 10 mm, width: 2 mm) was formed by rapid cooling in contact with a rotating copper wheel surface. At this time, the rotation speed of the copper wheel was 1000 rpm.

이후 형성된 금속 리본을 아르콘(Ar) 분위기 하에서 막자사발(mortar)을 이용하여 30분 동안 분쇄하였다. 이후 분쇄된 분말을 방전플라즈마 소결(spark plasma sintering: SPS)을 이용하여 약 485℃에서 3분 유지, 50MPa 압력을 유지하여 열전재료를 제조하였다.Subsequently, the formed metal ribbon was pulverized for 30 minutes using a mortar in an Ar atmosphere. The pulverized powder was maintained at about 485 ° C for 3 minutes by spark plasma sintering (SPS), and the thermoelectric material was produced at a pressure of 50 MPa.

[[ 실험예Experimental Example 1. 분쇄 공정에 따른  1. According to the grinding process BiBi -- Te계Te system 열전재료의 물성 평가] Evaluation of physical properties of thermoelectric material]

실시예 1에서 형성된 금속리본을 이용하여 유성볼밀(planetary mill)과 유발(mortar) 분쇄공정을 각각 실시하고, 해당 분쇄물의 입도 분포를 하기와 같이 평가하였다. A planetary mill and a mortar pulverization process were performed using the metal ribbon formed in Example 1, and the particle size distribution of the pulverized product was evaluated as follows.

이때 분쇄공정을 실시하기 전 금속리본의 길이는 10mm, 폭은 2mm 이었으며, 유성볼밀과 유발 분쇄를 실시하여 얻어진 분쇄물의 입도 분포도는 각각 도 2~3에 도시하였다.The length of the metal ribbon before the milling process was 10 mm and the width was 2 mm. The particle size distribution of the milled product obtained by performing the planetary ball milling and induction milling is shown in FIGS. 2 to 3, respectively.

실험 결과, 유성볼밀(planetary mill)을 통해 분쇄된 실시예 1의 경우 평균입경(d50)이 6.03 ㎛를 나타냈으며, 유발(mortar)을 통해 분쇄된 비교예 1의 경우 평균 입경(d50)이 50.25 ㎛를 나타냈다. 이에 따라, 유성볼밀로 분쇄된 실시예 1은 비교예 1의 분쇄물에 비해, 평균 입도가 대략 1/9~1/10 정도로 미립화하였음을 확인할 수 있었다 (하기 표 1~2 참조). Experimental results show that the Example 1, the average particle diameter (d 50) For showed the 6.03 ㎛, the case of Comparative Example 1, crushed with a mortar (mortar) average particle size (d 50) crushed by a planetary ball mill (planetary mill) Lt; / RTI &gt; As a result, it was confirmed that the granulated product of Example 1 pulverized by the planetary ball mill had an average particle size of about 1/9 to 1/10 as compared with the pulverized product of Comparative Example 1 (see Tables 1 and 2 below).

유성볼밀 (Planetary Mill)Planetary Mill 단위 (㎛)Unit (탆)  입경Particle size 1회1 time 2회Episode 2 3회3rd time 평균Average 표준편차Standard Deviation d(10)d (10) 1.671.67 1.561.56 1.481.48 1.57 1.57 0.10 0.10 d(50)d (50) 7.207.20 5.865.86 5.025.02 6.03 6.03 1.10 1.10 d(90)d (90) 31.9131.91 19.0219.02 18.0118.01 22.98 22.98 7.75 7.75

막자사발 (Mortar)Mortar 단위 (㎛)Unit (탆)  입경Particle size 1회1 time 2회Episode 2 3회3rd time 평균Average 표준편차Standard Deviation d(10)d (10) 22.98422.984 23.49423.494 23.23923.239 23.24 23.24 0.25 0.25 d(50)d (50) 48.92948.929 51.56351.563 50.24650.246 50.25 50.25 1.32 1.32 d(90)d (90) 87.79287.792 102.787102.787 95.2995.29 95.29 95.29 7.50 7.50

[[ 실험예Experimental Example 2.  2. BiBi -- Te계Te system 열전재료의 물성 평가] Evaluation of physical properties of thermoelectric material]

실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 Bi-Te계 열전 재료의 물성 측정방법은 하기와 같다. The physical properties of the Bi-Te thermoelectric material prepared in Example 1 and Comparative Example 1 are as follows.

1) 제벡계수 및 전기전도도 측정: JIS K 7194에 준거하여, ZEM-3 (Ulvac-Riko社 제조)를 이용하여 측정하였다. 측정된 제벡계수(S)와 전기전도도(σ)를 이용하여 Power factor를 계산하였다. 1) Measurement of Seebeck coefficient and electrical conductivity: Measured according to JIS K 7194 using ZEM-3 (manufactured by Ulvac-Riko). The power factor was calculated by using the measured Seebeck coefficient (S) and electrical conductivity (σ).

[수학식 2] Power factor = (제벡계수)2 ⅹ전기전도도Equation 2 Power factor = (Seebeck coefficient) 2 x Electrical Conductivity

2) 열전도도 측정: JIS R 1611과, JIS R 1650-3에 준거하여 레이저 플래쉬법에 의한 비열용량 측정 및 열전도도를 계산하였다. 보다 구체적으로, 직경 10 mm x 1mm의 원판 형태로 절단하여 레이저 플래쉬법으로 열확산도(D), 비열(Cp) 및 밀도(d)를 측정한 후, 하기 수학식 3을 이용하여 열전도도를 측정하였다. 2) Measurement of thermal conductivity: Specific heat capacity measurement and thermal conductivity were calculated by laser flash method in accordance with JIS R 1611 and JIS R 1650-3. More specifically, after cutting into a disk having a diameter of 10 mm x 1 mm and measuring the thermal diffusivity (D), specific heat (Cp) and density (d) by a laser flash method, the thermal conductivity is measured Respectively.

[수학식 3] κ = DCpd[Equation 3]? = DCpd

측정된 열전도도의 결과는 하기 도 4에 도시하였다. The results of the measured thermal conductivities are shown in FIG.

3) 무차원 열전성능지수(ZT): 상기 측정된 Power factor, 전기전도도 및 열전도도를 이용하여 무차원 열전성능지수(ZT)를 측정하였으며, 그 결과를 하기 도 5에 기재하였다. 3) Dimensional Thermoelectric Performance Index (ZT): The dimensionless thermoelectric performance index (ZT) was measured using the measured power factor, electrical conductivity and thermal conductivity. The results are shown in FIG.

[수학식 1] ZT = (POWER FACTOR × (전기전도도)2 /열전도도) × ΔT ZT = (POWER FACTOR x (electrical conductivity) 2 / thermal conductivity) x DELTA T

실험 결과, 유성볼밀(planetary mill)을 통해 분쇄된 본 발명의 Bi-Te계 열전재료는 입도 제어를 통해 낮은 열전도도를 확보하여 우수한 열전 성능지수를 갖는다는 것을 알 수 있었다. As a result, it was found that the Bi-Te-based thermoelectric material of the present invention ground through a planetary mill has low thermoconductivity through particle size control and has excellent thermoelectric performance index.

Claims (12)

(i) Bi 원료와 Te 원료를 포함하는 열전재료용 원료를 용해 및 응고시켜 모합금을 형성하는 단계;
(ii) 상기 모합금을 급속냉각을 통해 금속 리본을 형성하는 단계;
(iii) 상기 금속리본을 비활성 분위기하에서 유성밀링(planetary mill)에 의해 평균 입경(d50)이 20 ㎛ 이하가 되도록 분쇄하는 단계; 및
(iv) 상기 분쇄물을 압축하여 예비성형체를 형성한 후 가압소결하는 단계
를 포함하는 Bi-Te계 열전재료의 제조방법.
(i) dissolving and coagulating a raw material for a thermoelectric material including a Bi raw material and a Te raw material to form a parent alloy;
(ii) forming a metal ribbon through rapid cooling of the parent alloy;
(iii) pulverizing the metal ribbon to an average particle size (d 50 ) of 20 μm or less by an planetary mill under an inert atmosphere; And
(iv) compressing the pulverized material to form a preform, followed by pressure sintering
Based thermoelectric material.
제1항에 있어서,
상기 단계 (i)에서 Bi 원료와 Te 원료는, Bi2Te3 ±0.2의 화학양론 조성에 따른 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 Bi-Te계 열전재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the Bi raw material and the Te raw material in the step (i) are mixed at a ratio according to a stoichiometric composition of Bi 2 Te 3 ± 0.2 .
제1항에 있어서,
상기 단계 (i)의 열전재료용 원료는 Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Bi-Te계 열전재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the raw material for thermoelectric material of step (i) further comprises at least one element selected from the group consisting of Sb and Se.
제3항에 있어서,
상기 단계 (i)에서 형성된 모합금은, 5N 이상의 고순도를 갖는 n형 Bi-Te-Se계 합금 또는 p형 Bi-Sb-Te계 합금인 것을 특징으로 하는 Bi-Te계 열전재료의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the mother alloy formed in step (i) is an n-type Bi-Te-Se alloy or p-type Bi-Sb-Te alloy having a purity of 5N or higher.
제1항에 있어서,
상기 단계 (ii)는 모합금을 용융 방사 장비에 설치된 노즐에 장입하고 발열체를 이용하여 용융시킨 후, 상기 용융물에 불활성 가스를 0.1~0.5MPa 범위로 가압하여 5~40m/s의 선속도로 회전하는 고속회전 휠 표면에 용융물을 접촉시켜 급냉시키는 것을 특징으로 하는 Bi-Te계 열전재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the step (ii), the mother alloy is charged into a nozzle provided in the melt spinning apparatus and melted using a heating element, and then inert gas is pressurized in the range of 0.1 to 0.5 MPa to rotate at a linear velocity of 5 to 40 m / Wherein the molten metal is brought into contact with the surface of the high-speed rotating wheel to rapidly quench the thermoelectric material.
제1항에 있어서,
상기 단계 (ii)에서 제조된 금속리본의 길이는 5 내지 15mm이며, 폭은 0.5 내지 5mm인 것을 특징으로 하는 Bi-Te계 열전재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal ribbon produced in the step (ii) has a length of 5 to 15 mm and a width of 0.5 to 5 mm.
제1항에 있어서,
상기 단계 (iii)는 금속리본과 볼을 공자전하는 용기 내에서 유성밀링하되,
상기 볼의 크기는 1 내지 5Φ이며,
금속리본과 볼의 무게비가 5~15 : 1인 것을 특징으로 하는 Bi-Te계 열전재료의 재료방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (iii) is a step of milling the metal ribbon and the ball in a co-
The size of the balls is 1 to 5,
Wherein the weight ratio of the metal ribbon and the ball is 5 to 15: 1.
제1항에 있어서,
상기 단계 (iii)는 아르곤(Ar) 분위기하에서 100~500 rpm의 회전속도로 10~120분 동안 금속 리본을 분쇄하는 것을 특징으로 하는 Bi-Te계 열전재료의 재료방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (iii) comprises grinding the metal ribbon for 10 to 120 minutes at a rotating speed of 100 to 500 rpm in an atmosphere of argon (Ar).
제1항에 있어서,
상기 단계 (iv)는 예비성형체를 핫 프레스(Hot press) 또는 방전플라즈마 (SPS)를 통해 가압소결하는 것을 특징으로 하는 Bi-Te계 열전재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (iv) comprises subjecting the preform to pressure sintering through a hot press or a discharge plasma (SPS).
제1항에 있어서,
상기 단계 (iv)는 400~500℃의 온도 및 40~60 MPa의 압력 조건 하에서 3 내지 30분 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 Bi-Te계 열전재료의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (iv) is carried out at a temperature of 400 to 500 ° C and a pressure of 40 to 60 MPa for 3 to 30 minutes.
가압소결된 Bi-Te계 열전재료의 밀도는 95~99% 이며,
열전도도가 0.65 ~ 1.0 W/mK이며,
Bi-Te계 열전재료의 열전 성능지수(ZT)는 1.0 이상인 것을 특징으로 하는 Bi-Te계 열전재료의 제조방법.
The density of the pressure-sintered Bi-Te thermoelectric material is 95 to 99%
The thermal conductivity is 0.65 to 1.0 W / mK,
Wherein the thermoelectric performance index (ZT) of the Bi-Te thermoelectric material is 1.0 or more.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 Bi-Te계 열전재료. A Bi-Te thermoelectric material produced by the method of any one of claims 1 to 11.
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