KR20190007235A - Pb 도핑된 BiSbTe계 열전 소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 BiSbTe계 화합물에 Pb가 도핑된 것을 특징으로 하는 열전소재에 관한 것이다.

Description

Pb 도핑된 BiSbTe계 열전 소재{BiSbTe-BASED THERMOELECTRIC MATERIAL DOPED Pd}

본 발명은 Pb 도핑된 BiSbTe계 열전 소재에 관한 것이다.

재생 에너지 자원중에서 열전을 이용한 발전은, 폐기되는 에너지원를 활용하려는 사회적인 요구때문에 주목을 받고 있다. 미국에서 온도별로 폐기되는 에너지원에 따르면, 총 에너지원의 양은 대략 41 × 10⁹GJ에 달한다. 특히, 이중에서 78%가 저온 영역 (<200℃)에 해당한다. 따라서 저온에서 높은 에너지 변환 효율을 자랑하는 Bismuth Telluride (BiTe) 기반의 열전소재를 활용하는 발전에 상당한 연구가 진행되었다.

열전소재들의 에너지 변환 효율은 일반적으로 무차원 성능지수 zT=(σS²T)κ_tot 로 표시되는데, 여기서 σ 는 전기전도도, S 는 제백계수, 그리고 κ_tot는 주어진 온도 T에서 전체 열전도도를 뜻한다. 상용화된 BiTe 기반의 열전소재들의 zT 값들은 상온에서 대략 1.0에 달한다. 그러나, 폐기되는 에너지원의 넓은 온도범위를 고려한다면, 특정 폐기 에너지원의 온도에서 최대 발전효율을 달성할 수 있는 높은 zT 값을 가지는 맞춤형 BiTe 기반의 열전소재 개발이 요구되는 상황이다. 최대 zT의 온도를 조정하는 효과적인 방법은 치환형 도핑과 같은 조성을 튜닝하는 방법이 있다.

가장 상용화된 BiTe 기반의 열전소재는 p형과 n형에 대해 각각 Bi_{0 . 5}Sb_{1 . 5}Te₃과 Bi₂Te_{2 . 7}Se_{0 .3}이다. BiSbTe 의 경우, 전하밀도(nc)와 파워팩터(σS²)가 Bi₂Te₃과 Bi₂Sb₃의 조성비율에 따라 민감하게 영향을 받는다. 기존 문헌에 따르면 높은 파워팩터(>3.5 mW m^-1K^{- 2})가 Bi_{0 . 4}Sb_{1 . 6}Te₃과 Bi_{0 . 52}Sb_{1 . 48}Te₃의 조성에서 발현되었고, 이 두 조성 근처의 재료들에 대한 도핑 효과에 대해 상당한 연구가 진행되었다. 흥미롭게도, BiSbTe에 Ag와 Cu를 도핑시켰을 때, 최대 zT가 높은 온도방향으로 이동하는 현상이 발생하였다. 이는, Ag와 Cu와 같은 원소들의 경우, p형 BiSbTe에서 효과적인 acceptor 역할을 하며, 따라서 고온에서 발생하는 양극전도현상을 억제하는 효과를 나타낸다.

PbTe가 중온영역에서 높은 zT를 가진 열전재료이기 때문에 Pb 역시 최대 zT를 고온부 방향으로 이동시킬 수 있는 유력한 후보 도핑물질이다. 문헌자료에 따르면 Pb는 BiSbTe에서 효과적인 acceptor로 작용하며 p형 반도체재료에서 전하밀도를 높여서 최대 zT를 옮기는 효과를 보인바 있다. 하지만, 기존 연구에서는 과도한 Pb의 함유로 인하여 Bi_{0 . 4}Sb_{1 . 6}Te₃의 조성에서 zT를 감소시키는 결과를 초래하였다. 본 연구의 목표는 Pb의 양을 조절하여 다양한 저온영역의 온도에 대해 맞춤형 열전소재를 제조하기 위한 재료 디자인 규칙을 찾는 것이다.

본 발명은 BiSbTe계 화합물에 Pb가 도핑된 것을 특징으로 하는 열전소재 등을 제공하고자 한다.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 BiSbTe계 화합물에 Pb가 도핑된 것을 특징으로 하는 열전소재를 제공한다.

상기 Pd는 상기 열전소재 총 원자량 대비 0.06at% 내지 0.50at% 도핑될 수 있다.

상기 열전소재는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다:

<화학식 1>

Bi_{0 . 52}Sb_{1 .48- x}Pb_xTe₃(0≤x ≤ 0.01).

본 발명에 따른 열전소재는 BiSbTe계 화합물에 Pb가 도핑된 것을 특징으로 하는바, 300~520K 온도구간에서 최대 파워팩터를 증가시킬 수 있고, 최대 zT를 증대시켰을 뿐만 아니라, 고온 방향으로 정밀하게 이동시켰다. 또한, 최대 열전 발전 효율을 증가시킬 수 있다.

도 1은 Bi_{0 . 52}Sb_{1 .48- x} Pb _x Te₃(x = 0~0.01 (0.5 at.%)) 소결된 벌크의 XRD 패턴을 나타난 그래프이다.
도 2는 Pb 농도의 함수로서, 격자 상수 a 및 c에서 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3은 Bi_{0 . 52}Sb_{1 .48- x} Pb _x Te₃(x = 0~0.01 (0.5 at%))의 (a) 전기전도도 및 (b) 제백 계수의 온도 의존성을 보여주는 그래프이다.
도 4(a)는 Bi_{0 . 52}Sb_{1 .48- x} Pb _x Te₃(x = 0~0.01 (0.5at%))의 파워팩터의 온도 의존성을 보여주는 그래프이고, 도 4(b)는 Bi_{0 . 52}Sb_{1 .48- x} Pb _x Te₃(x = 0~0.01 (0.5 at%))에 대해 300K에서 전하밀도의 함수로서 제백계수(Pisarenko plot)를 보여주는 그래프이다.
도 5는 Bi_{0 . 52}Sb_{1 .48- x} Pb _x Te₃(x = 0~0.01 (0.5 at%))의 (a) 총 열적 전도도 및 (b) 격자 역적 전도도의 온도 의존성을 보여주는 그래프이다. 삽입은 300K에서 Pb 농도의 함수로서 격자 열적 전도도(κlat)를 보여준다.
도 6(a)는 온도(300~520 K)의 함수로서 merit zT의 무차원 수치를 보여주는 그래프이다. 도 6(b)는 온도의 다양한 범위에 대한 Pb 농도와 관련있는 평균 zT 값을 보여주는 그래프이다. 또한, 도 6(c)는 ΔT (=T_h-T_c)의 함수로서 열전 파워 생성의 최대 효율을 보여주는 그래프이다.

본 발명에서는 Pb의 양을 정밀하게 제어함으로써 Pb의 도핑이 Bi_{0 . 52}Sb_{1 . 48}Te₃의 열전 성질에 미치는 영향에 대해 체계적으로 알아보았다. 본 발명자들은 Bi_{0 . 52}Sb_{1 . 48}Te₃의 전하밀도가 B_{i0 . 4}Sb_{1 . 6}Te₃의 전하밀도보다 낮기 때문에 Bi_{0 . 52}Sb_{1 . 48}Te₃의 조성을 선택하였다. 따라서, Pb를 도핑함으로써 발생하는 전하밀도의 증가에 의한 영향를 효과적으로 확인할 수 있다. 본 발명자들은 본 발명을 통해서 BiSbTe에서 증대된 zT값들이 Pb 도핑에 의한 증대된 전자수송과 포논 산란에 기인한 것으로 알 수 있었다. 마지막으로, 저온영역에서 Pb로 도핑된 BiSbTe의 증대된 열전변환효율을 열전발전 최대 효율을 예측함으로써 평가하였다.

본 발명자들은 저온 영역 발전에 잠재적인 응용 가능성을 확인하기 위해, Pb 도핑이 p-type BiSbTe의 열전 수송 특성들에 미치는 영향들에 대한 연구들 수행하였다. 0.31at% Pb 도핑된 Bi_{0 . 52}Sb_{1 . 48}Te₃로부터 300 K에서 최대 파워팩터 (~4.4 mW m^-1K^{- 2})가 발생하였고, 이는 밴드 플레트닝 효과(band flattening effect)에 의해 강화된 유효질량에 기인한 것이다. 그리고 강화된 점결함 포논 산란의 결과로 전체 열전도도는 조금 감소하였고, 양극 열전도 현상은 특히 높은 온도 영역에서 효과적으로 억제되었다. 결과적으로, 최대 무차원 성능지수 zT는 Pb 도핑에 의해 400 K 이상의 온도에서 특히 증가하였고, 최대 zT가 발현되는 온도는 고온 방향으로 이동하였다. 예측된 최대 열전 발전 효율(η_max)은, Pb 도핑 농도가 최적화된 상태에서 250%까지 증가할 수 있다고 나타났다.

본 발명은 BiSbTe계 화합물에 Pb가 도핑된 것을 특징으로 하는 열전소재를 제공한다.

상기 Pd는 상기 열전소재 총 원자량 대비 0.06at% 내지 0.50at% 도핑되는 것이 바람직하고, 0.25at% 내지 0.38at% 도핑되는 것이 보다 바람직하고, 0.31at% 도핑되는 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

구체적으로, 상기 열전소재는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다:

<화학식 1>

Bi_0.52Sb_1.48-xPb_xTe₃(0≤x ≤ 0.01).

따라서, 본 발명에 따른 열전소재는 BiSbTe계 화합물에 Pb가 도핑된 것을 특징으로 하는바, 300~520K 온도구간에서 최대 파워팩터를 증가시킬 수 있고, 최대 zT를 증대시켰을 뿐만 아니라, 고온 방향으로 정밀하게 이동시켰다. 또한, 최대 열전 발전 효율을 증가시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

고순도(>99.999%)의 Bi, Sb, Te, 그리고 Pb 알갱이들을 Bi_{0 . 52}Sb_{1 .48- x} Pb _x Te₃(x = 0~0.01 (0.5 at%))에 따라 측량한 후, 용융-응고 공정에 따라 잉곳이 합성되었다. 알갱이들을 진공으로 봉인된 직경 14mm의 석영관에 위치시킨 후, 박스 퍼니스에서 1085℃의 고온에서 10시간 동안 용융과정을 거쳤다. 형성된 잉곳은 막자사발에서 분쇄시킨 후, 53 μm 크기 이하 크기만 걸러내었다. 걸러진 분말들을 다결정 소결체로 만들기 위해, 방전 플라즈마 소결 (Spark Plasma Sinteing) 기술을 이용하여 45 MPa의 압력에서 480℃의 온도에서 3분간 진공조건에서 소결시켰다.

소결체의 상들을 분석하기 위해 CuKα 방사선 기반의 XRD (Ultima IV/ME 200DX, Rigaku, Japan) 분석을 실시하였다. 미세구조의 진화를 알아보기 위해 Rigaku PDXL XRD 분석 프로그램에 있는 WPPF 방법을 이용하여 XRD 데이터를 추가적으로 분석하였다. 전하밀도와 전하이동도를 얻기 위해, van der Pauw 환경에서 1 T의 자기장이 가해진 상태에서 홀측정을 진행하였고, 전하밀도와 전하이동도는 one-band model를 이용하여 추가적으로 계산되었다. 전기전도도와 제백계수로 구성된 파워팩터는 ZEM-3 장비 (ULVAC, Japan)를 이용하여 300 K ~ 520 K온도 구간에서 측정되었다. 전체 열전도도(

, 여기서

는 밀도,

는 비열, 그리고

는 열확산율)는 개별로 측정된 값들로부터 얻어졌다. 열확산율을 측정하기 위해 Laster flash 방법 (Netszch LFA-457, Germany)이 쓰였고,

값에 대해서는 0.186 J g^-1K^-1의 고정값이 사용되었다. 소결된 샘플에 대해 측정된 값은 대략 6.65 g cm^-3이었다. zT값을 계산하는데 필요한 모든 물성들은 SPS의 압력이 가해지는 방향과 수직방향으로 측정이 이루어졌다.

도 1은 소결된 Bi_{0 . 52}Sb_{1 .48- x} Pb _x Te₃(x = 0~0.01 (0.5 at%))에 대해 SPS 공정의 압력이 가해진 방향에 대해 수평방향의 평면에 대해 측정된 XRD 패턴을 보여주고 있다. 모든 샘플들의 측정된 XRD 패턴들은 rhombohedral Sb₂Te₃ 구조(space group)로 표시된다. 이는 대부분의 Pb 원소들이 효과적으로 Sb 자리에 치환되었음을 의미한다. 이는 도 2에 나타낸 바와 같이, WPPF refinement 방법으로 얻어진 격자상수 a와 c에 의해서도 확인된다. 격자상수 a와 c는 모두 Pb의 함량을 높일수록 증가하였다. 이는 Pb(180 pm)의 원자반경이 Sb(145 pm)의 원자반경보다 크기 때문인 것으로 해석될 수 있다. {0 0 l} planes의 배향지수 (f)는 Lotgering 방법을 이용하여 2θ = 10°~ 80°의 범위에서 계산되었고, 이 값들은 XRD 패턴들의 왼쪽 모서리에 나타내어져 있다. f 는 f _ool = (p _ool -p _o )/(1-p _o ) 과 같이 정의되고, 여기서 p _ool = ∑I _ool /∑I _hkl , p _o = ∑ I ^o _ool /∑ I ^o _hkl (I _kkl 와 Io _hkl 은 각각 배향성이 있는 샘플과 없는 샘플들에 대한 (h k l) 픽들의 강도를 각각 의미함). 모든 샘플들은 0.21~0.28 범위의 f값들을 보였고, 이는 모든 샘플들이 유사한 배향성을 지니고 있음을 의미한다.

BiSbTe에 Pb 도핑효과를 명확하게 밝히기 위해, Bi_{0 . 52}Sb_{1 .48- x} Pb _x Te₃ (x = 0~0.01 (0.5 at%))의 열전 수송특성을 측정하였고, 관련된 매개변수들은 계산되었다. 도 3(a)는 도핑 이전과, Pb로 0.06~0.5 at%의 범위에서 도핑된 Bi_{0 . 52}Sb_{1 . 48}Te₃의 온도변화에 따른 전기전도도의 변화를 보여주고 있다. 우선, 온도가 증가함에 따라 전기전도도가 감소함을 보여주는데, 이는 일반적인 축퇴반도체의 성질을 보여준다. 또한, Pb의 함량이 증가할수록 300K에서 전기전도도가 약 6.8 × 10⁴ S m^-1 에서 2.0 × 10⁵ S m^-1까지 증가했는데, 이는 Pb 원자가 p형 반도체에서 주된 캐리어인 홀(hole)를 증가시키는 acceptor의 효과를 유도하기 때문이다. Pb 도핑에 의한 전기전도도의 증가를 확인하기 위해, 300 K에서 측정된 전하밀도(n_c)와 전하이동도(μ_Hall)를 홀측정으로부터 예측하였고 표 1에 소개되어 있다.

[표 1]

전하이동도는 Pb가 0.31 at% (Pb_{0 . 00625}Bi_{0 . 52}Sb_{1 . 47375}Te₃)이후 계속 감소한 반면, 전하밀도는 Pb의 증가와 함께 증가하였다. 이를 통해 Pb 도핑에 의해 증가한 파워팩터는 최적화된 전하밀도와 전하이동도에 의해 형성되었을 것으로 보인다. Pb 도핑된 BiSbTe의 p형 거동은 도 3(b)에서 보이는 양의 제백계수(S) 값으로 확인된다. 전기전도도와 대조적으로, 300~350 K에서 제백계수는 Pb 함량 증가에 따라 점차적으로 감소하였는데, 이는 식 (1)의 식에 따라 제백계수(S)가 전하밀도(n _c)에 반비례하기 때문이다.

, (1)

(여기서 k _B, e, 그리고 h 는 각각 Boltzmann 상수, 기본 전하, 그리고 Planck 상수에 해당한다). 일반적인 BiSbTe에서는 제백계수는 양극전도의 발생에 의해 최대 제백계수 (S _max)를 형성한다. 도 3(b)에, 최대 제백계수가 발생하는 온도가 Pb 함량의 증가에 의해 350 K에서 500 K로 조금씩 옮겨졌다. 이는 양극전도현상이 홀 (hole)의 증가에 의해 억제되었기 때문이다.

파워팩터는 측정된 전기전도도와 제백계수로부터 계산되었고, 온도에 따른 변화가 도 4(a)에 나타내어져 있다. Pb 함량이 증가할수록, 파워팩터의 증가는 300 K에서 Pb의 함량이 0.31 at%일 때까지 관찰된다. 0.31 at% 이후에는, 500 K 근처에서 파워팩터는 0.5 at%의 Pb 함량이 될 때까지 지속적으로 증가한 반면, 300 K에서의 파워팩터는 감소하기 시작했다. 도 4(a)로부터, 300 K에서의 최대 파워팩터 (~4.43 mW m^-1K^-2)는 최적화된 전기전도도와 제백계수를 통하여 0.31 at%의 Pb 함량에서 형성됨을 알 수 있다. 전기전도도와 제백계수의 반비례적인 관계를 고려할 때, 파워팩터의 증가는 다소 큰편이었고, 이는 Pb 도핑에 의한 밴드 엔지니어링 효과가 있었음을 예측할 수 있다. 이를 구체적으로 알아보기 위해, 우리는 제백계수에 영향을 미치는 중요한 전자수송 패러미터인 값을 계산하였다. 도 4(b)는 300 K에서 모든 샘플들에 대해 전하밀도의 변화에 대한 제백계수를 보여주는데, 실선들은 0.7, 0.9, 그리고 1.1 에 대한 동일한 값을 보여준다. 도 4(b)가 보여주듯이, 는 Pb 함량 증가와 함께 같이 증가한다. 밴드 플래트닝 효과(Band flattening effect)가 Pb 도핑에 의해 증대된 에 대한 매커니즘으로 작용했을 것으로 분석된다.

도 5(a)는 Bi_{0 . 52}Sb_{1 .48- x} Pb _x Te₃(x = 0~0.01 (0.5 at%))에 대한 전체 열전도도의 온도 의존성을 보여준다. Pb 도핑에 의한 두가지 흥미로운 효과가 관찰된다. 첫째, 상온에서, 전체 열전도도는 Pb 함량의 증가와 함께, 1.09 W m^-1 K^-1에서 1.68 W m^-1 K^-1로 증가하였고, 둘째, 최소 전체열전도도가 발생하는 온도구간은 상온에서 고온방향으로 이동되었다. 후자는 p형 반도체에서 다수 캐리어에 해당하는 홀 (hole)의 증가에 의해 양극 열전도 현상이 억제되었기 때문에 발생한 것으로 풀이된다. 상온에서 Pb 도핑에 의해 증가한 전체열전도도를 이해하기 위해서, 전체열전도도에서 전자열전도도를 제외함으로써 격자열전도도를 계산하였고, 이때, 전자열전도도는 비데만-프랜즈의 법칙 (Wiedemann-Franz law) (, 여기서 L 은 로렌츠 넘버이다)을 이용하여 구해졌다. L 값은 다음 공식을 이용하여 계산된다:

, (2)

여기서 L 과 S 는 각각 10^-8W Ω K^-2과 μV K^-1의 단위에 있다. 이 방법으로 얻게된 격자열전도도의 온도변화에 대한 값이 도 5(b)에 보여지는데, 이는 전 온도영역에서 Pb 함량이 증가할수록 격자 열전도도는 감소함을 알 수 있다. 도 5(a)와 5(b)로부터, BiSbTe의 Pb 도핑에 의해 300~350 K 온도 구간에서 증대된 전체 열전도도는 격자열전도도가 아닌 전자 열전도도에 의한 효과임을 알 수 있다. 양극 전도 효과의 영향이 없는 상태에서 Pb 함량에 대한 격자열전도도의 변화는, 상온에서 격자 열전도도의 변화를 비교함으로써 판단할 수 있다(도 5(b)의 삽입 그림). 격자 열전도도는 Pb 도핑에 의해 감소하게 되는데, 이는 Pb (M _Pb=207.2)와 Sb (M _Sb=121.8)사이의 질량차이에서 발생하는 강화된 점 결함에 의한 포논 산란 효과에 의한 것이다.

도 6(a)는 Bi_{0 . 52}Sb_{1 .48- x} Pb _x Te₃(x = 0~0.01 (0.5 at%))의 온도 변화에 따른 zT 값을 보여준다. 첫째, 도핑 이전 상태의 Bi_{0 . 52}Sb_{1 . 48}Te₃에 비교했을때 Pb로 도핑된 Bi_0.52Sb_1.48Te₃(0.13~0.38 at%)로부터 넓은 온도 구간 (350~520 K)에 걸쳐 증가한 zT 값을 관찰할 수 있다. 증가한 zT 값에는 두가지 효과가 기여했다. : (1) 증가한 파워 팩터와 (2) 전체 열전도도의 최소값이 고온방향으로 이동되는 효과. 400~520 K 온도 구간에서 상당히 감소한 전체 열전도도는 Pb 도핑에 의한 다수 캐리어인 홀(hole)의 농도를 조절함으로써 양극 열 전도 현상이 억제되는 현상에 의한 결과이다. 따라서, 최적의 Pb 농도를 선택함으로써, 목표로 하는 폐기열 온도에 대한 zT값을 최대화하는 것이 가능하다. 주어진 온도에서 Bi_{0 . 52}Sb_{1 . 48}Te₃에 대해 Pb 도핑으로 최대 zT를 얻는 기술은 고효율 저온영역대 발전에 잠재적으로 사용가능하다. 도 6(b)에 보여지듯이, 목표로하는 온도 영역에 대해 가장 적합한 도핑 함량은 평균 zT 값 (zT _avg)을 통해 판단가능하다. 전체적으로 0~0.38 at%의 Pb 농도에 대해서는, 넓은 온도구간보다는 300~400 K에서 높은 zT _avg 가 관찰된다. 도 6(b)를 통해서 또한 300~520 K와 같이 넓은 온도 영역에서 이 재료가 사용될 경우 낮은 zT _avg 값을 피하기는 어렵다는 것을 확인할 수 있다. 300~450 K, 300~500 K, 그리고 300~520 K에 대해 Pb 농도 0.31 at% 는 가장 높은 zT _avg를제공한다.

Pb-doped Bi_{0 . 52}Sb_{1 . 48}Te₃의 열전 발전 효율은 다음 식을 이용하여 예측되었다:

, (3)

여기서 T _c 와 T _h 는 각각 저온부와 고온부의 온도를 의미하고, ΔT와 T _avg는각각 T _h - T _c와 (T _h + T _c)/2에 해당한다. 도 6(c)는 ΔT에 대한 η_max를 보여준다. 모든 Pb 농도에 대해, η_max는 ΔT=100K까지 증가하는 트렌드를 보여준다. 그러나, 0.38~0.5 at%의 Pb 농도는 ΔT가 200K될 때까지 증가하는 경향을 유지한 반면, 가볍게 Pb 도핑된 샘플들 (0.06~0.25 at%)은 ΔT=150K 이후에는 감소하는 경향을 보여준다. 도핑되지 않은 Bi_{0 . 52}Sb_{1 . 48}Te₃의 η_max 값에 비해, Pb 도핑에 의해 상당히 증가한 η_max를 관찰할 수 있다; ΔT = 100 K, 150 K, 200 K, 그리고 220 K일 때, η_max는 각각 139%, 173%, 231%, 그리고 250%까지 증가하였다.

Pb 도핑에 의해서 zT는 0.97 (300 K)에서 1.14 (400 K)로 약 18%의 증가율을 보인 반면, η_max는 100%에서 250%로 150% 증가하였다. 이는 고효율 발전을 위해서는 최적의 도핑 함량을 선택하는 것이 결정적임을 의미한다. 도 6(a)6(c)는 zT _avg 와의 관계를 직접적으로 보여주고 있으며 이는 저온 온도구간 발전을 위한 체계적인 소재 디자인을 가능하게 한다.

본 발명자들은 Pb 도핑 함량을 정밀하게 제어하면서 다결정 Bi_{0 . 52}Sb_{1 .48- x} Pb _x Te₃(x = 0~0.01 (0.5 at%))의 열전 수송 특성에 대해 연구함으로써, 이 소재의 저온 영역 발전에 대한 잠재적인 사용가능성에 대해 조사하였다. 첫째, 300~520 K 온도 구간에서 BiSbTe의 파워 팩터는 Pb 도핑에 의해 증가하였는데, 이는 밴드 플레트닝 효과 (band flattening effect)에 의해 증대된 DOS 유효질량의 증가에 의한 것이다. 또한 Pb 농도가 0.31 at%일때 300~450 K에서 최대 파워팩터가 발생하였다. 둘째, Pb 도핑에 의해 증가한 다수 케리어인 홀 농도가 양극 열전도 현상을 억제하였고, 결과적으로 전체 열전도도의 최소값의 발생 온도 구간을 고온 방향으로 이동시켰다. 결과적으로 BiSbTe의 최대 zT는 Pb 도핑에 의해 증대되었고 고온 방향으로 정밀하게 이동하였다. 특히, 다양한 온도구간들 (300~450 K, 300~500 K 및 300~520 K) 에 대해 가장 높은 zT 값들은 0.31 at%의 Pb 농도에서 발생하였다. 예측되는 BiSbTe의 열전 발전 효율(η_max)은 ΔT =220K일 때, Pb 도핑에 의해 100%에서 250%로 증가하였다. zT _avg와 η_max의 관계를 직접적으로 보여주는 인털엑티브 플랏이 제공되었고, 이는 저온 영역 발전에 필요한 열전소재의 디자인을 가능케 할 것이다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (3)

1. BiSbTe계 화합물에 Pb가 도핑된 것을 특징으로 하는
   열전소재.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 Pd는 상기 열전소재 총 원자량 대비 0.06at% 내지 0.50at% 도핑되는 것을 특징으로 하는
   열전소재.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 열전소재는 하기 화학식 1로 표시되는
   열전소재:
   <화학식 1>
   Bi_{0 . 52}Sb_{1 .48- x}Pb_xTe₃ (0 ≤x ≤ 0.01).
   

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