KR20190021549A - Composite thermoelectric materials and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a composite thermoelectric material having a form in which FeTe_2 and Fe-rich phase nanoparticles, which are a heterogeneous phase, are dispersed in a Bi_xSb_(2-x)Te_3 (herein, X is a real number smaller than 2) thermoelectric semiconductor, and to a manufacturing method thereof. According to the present invention, the composite thermoelectric material has a form in which FeTe_2 and Fe-rich phase nanoparticles, which are a heterogeneous phase, are dispersed in a Bi_xSb_(2-x)Te_3 (herein, X is a real number smaller than 2) thermoelectric semiconductor, thereby improving thermoelectric performance by improvement of an output factor and reduction in thermal conductivity.

Description

복합체형 열전소재 및 그 제조방법{Composite thermoelectric materials and manufacturing method of the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composite thermoelectric material and a manufacturing method thereof,

본 발명은 열전소재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 BixSb2 -xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수) 열전반도체에 이종상인 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)가 분산되어 있는 형태를 이루므로 출력인자의 향상 및 열전도도 저감에 의해 열전성능이 향상될 수 있는 복합체형 열전소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric material and a method of manufacturing the same, and more particularly, Bi x Sb 2 -x Te 3 (where X is a real number smaller than 2) of the thermally yijongsang FeTe 2 nanoparticles and Fe nanoparticles on the semiconductor (Fe- rich phase nanoparticle dispersed therein, thereby improving the output factor and reducing the thermal conductivity, thereby improving the thermoelectric performance, and a method of manufacturing the composite thermoelectric material.

열전현상은 독일의 물리학자 티.제이.제벡(T.J.Seebeck)이 처음 발견하였으며, 서로 다른 두 개의 도체로 이루어진 한 회로에서 도체 간의 접점에 다른 온도를 가해주면 전류 또는 전압이 발생하는 현상으로서, 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는 열흐름이 전류를 발생시키는 것이다. 이러한 현상을 제벡효과(Seebeck Effect)라고 한다. The thermoelectric phenomenon was first discovered by the German physicist TJ Seebeck in a circuit made up of two different conductors. When a different temperature is applied to a contact point between conductors, current or voltage is generated. The heat flow from the place to the cold generates the current. This phenomenon is called the Seebeck effect.

프랑스의 장 샤를 아타나스 펠티에는 또 하나의 중요한 열전현상을 발견하였는데, 그것은 다른 도체로 이루어진 회로를 통해 직류전류를 흐르게 하면, 전류의 방향에 따라 서로 다른 도체 사이의 접합의 한쪽은 가열되는 반면, 또 다른 한쪽은 냉각되는 현상이다. 이를 펠티에효과(Peltier Effect)라고 한다. In France, Zhang Shah, Atanaspelte, discovered another important thermoelectric phenomenon: when a direct current flows through a circuit composed of different conductors, one side of the junction between the different conductors is heated according to the direction of the current, The other is the phenomenon of cooling. This is called the Peltier effect.

윌리엄 톰슨은 기존의 펠티에효과와 제벡효과가 서로 연관된 것임을 밝혀내고 이들 사이의 상관관계를 정리하였으며, 이 과정에서 단일한 도체로 된 막대기의 양 끝에 전위차가 가해지면 이 도체의 양 끝에서 열의 흡수나 방출이 일어날 것이라는 톰슨효과(Thomson Effect)를 발견하였다.William Thompson found that the Peltier effect and the Seebeck effect are related to each other, and the correlation between them is summarized. In this process, when a potential difference is applied to both ends of a rod made of a single conductor, heat absorption (Thomson Effect) that the release will occur.

열전모듈, 펠티어소자, 써모일렉트릭 쿨러(ThermoElectric Cooler; TEC), 써모일렉트릭 모듈(ThermoElectric Module; TEM) 등의 다양한 이름으로 불리고 있는 열전소자는 작은 열 펌프(Heat Pump)(저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치)이다. 열전소자 양단에 직류 전압을 인가하면 열이 흡열부에서 발열부로 이동하게 되며, 따라서 시간이 지남에 따라 흡열부는 온도가 떨어지고 발열부는 온도가 상승하게 된다. 이때 인가전압의 극성을 바꿔주면 흡열부와 발열부는 서로 바뀌게 되고 열의 흐름도 반대가 된다.Thermoelectric devices, which are called by various names, such as thermoelectric modules, Peltier devices, Thermoelectrical Coolers (TECs), and ThermoElectric Modules (TEMs), are small heat pumps (which absorb heat from cold heat sources) Thereby giving heat to a high-temperature heat source). When a DC voltage is applied to both ends of the thermoelectric element, heat is transferred from the heat absorbing portion to the heat generating portion, and accordingly, the temperature of the heat absorbing portion is lowered and the temperature of the heat generating portion is increased over time. At this time, if the polarity of the applied voltage is changed, the heat absorbing portion and the heat generating portion are exchanged with each other and the heat flow is reversed.

일반적인 열전소자는 N 타입과 P 타입 열전반도체 소자 1쌍이 기본 단위가 되며, 일반적인 모델의 경우 127쌍의 소자가 사용된다. 직류(DC) 전압을 양단에 인가하면 N 타입에서는 전자(Electron)의 흐름에 따라, P 타입에서는 정공(Hole)의 흐름에 따라 열이 이동하여 흡열부의 온도가 낮아지게 된다. 이는 금속 내의 전자의 퍼텐셜에너지 차가 있기 때문에 퍼텐셜에너지가 낮은 상태에 있는 금속으로부터 높은 상태에 있는 금속으로 전자가 이동하기 위해서는 외부로부터 에너지를 얻어야 하기 때문에 접점에서 열에너지를 빼앗기고 반대의 경우에는 열에너지가 방출되게 되는 원리이다. 이러한 흡열(냉각)은 전류의 흐름과 써모일렉트릭 커플(thermoelectric couple)(N, P타입 1쌍)의 수에 비례하게 된다.A typical thermoelectric element is a pair of N-type and P-type thermoelectric semiconductor elements, and in a typical model, 127 pairs of elements are used. When a direct current (DC) voltage is applied to both ends, the heat moves according to the flow of electrons in the N type and the flow in the hole in the P type, so that the temperature of the heat absorbing part is lowered. Because there is a difference in the potential energy of the electrons in the metal, in order for the electrons to move from the metal in the low state of the potential state to the metal in the high state, the heat energy is taken away from the contact point, . This endothermic (cooling) is proportional to the current flow and the number of thermoelectric couple (N, P type 1 pair).

현재 사용되어지는 에너지는 화석연료, 석유, 원자력 등으로서 전기에너지의 발생원으로 사용되고 있지만, 자원에너지의 고갈로 대체 에너지의 개발이 필요하다. 또한, 대부분의 발전기 등의 기계적 에너지를 통하여 전기에너지로 변환되지만 이에 대한 에너지의 변환 효율은 일정 한계(예컨대, 40%)를 넘기 어려운 상황이다. 최근에는 이러한 에너지 문제로 열전소자를 이용한 열전발전과 열전소자를 사용한 폐열에너지의 재활용 등의 장점을 갖는 열전발전 기술이 새로운 관심 분야로 대두되고 있다. Currently, the energy used is fossil fuel, petroleum, nuclear power, etc., and is used as a source of electric energy. However, it is necessary to develop alternative energy by depletion of resource energy. In addition, most of the electric power generated by the generator is converted into electrical energy through mechanical energy, but the conversion efficiency of the energy is difficult to exceed a certain limit (for example, 40%). In recent years, thermoelectric power generation technologies having advantages such as thermoelectric generation using thermoelectric elements and recycling of waste heat energy using thermoelectric elements have been attracting attention as energy problems.

대한민국 등록특허공보 제10-1198260호Korean Patent Publication No. 10-1198260

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수) 열전반도체에 이종상인 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)가 분산되어 있는 형태를 이루므로 출력인자의 향상 및 열전도도 저감에 의해 열전성능이 향상될 수 있는 복합체형 열전소재 및 그 제조방법을 제공함에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a ferroelectric semiconductor device in which FeTe 2 nanoparticles and Fe nanoparticles dispersed in a thermoelectric semiconductor are dispersed in Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2 ) And the thermoelectric performance can be improved by improving the output factor and reducing the thermal conductivity, and a method of manufacturing the composite thermoelectric material.

본 발명은, BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수) 열전반도체에 이종상인 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)가 분산되어 있는 형태를 이루는 복합체형 열전소재를 제공한다. The present invention relates to a composite body in which FeTe 2 nanoparticles and Fe-rich phase nanoparticles, which are heterogeneous, are dispersed in a thermoelectric semiconductor, Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2 ) Thermoelectric material.

상기 FeTe2 나노입자와 상기 Fe 나노입자는 상기 복합체형 열전소재에 상기 BixSb2-xTe3 열전반도체 대비 0.1∼20.0 몰% 함유되어 있는 것이 바람직하다.It is preferable that the FeTe 2 nanoparticles and the Fe nanoparticles are contained in the composite thermoelectric material in an amount of 0.1 to 20.0 mol% based on the Bi x Sb 2 -x Te 3 thermoelectric semiconductor.

상기 FeTe2 나노입자는 10㎚∼1㎛의 크기를 갖는다.The FeTe 2 nanoparticles have a size of 10 nm to 1 탆.

상기 Fe 나노입자는 1∼100 ㎚의 크기를 갖는다.The Fe nanoparticles have a size of 1 to 100 nm.

또한, 본 발명은, BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수)의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te를 조성비에 맞게 혼합하고, 여기에 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te를 조성비에 맞게 혼합하여 복합 원료를 준비하는 단계와, 상기 복합 원료를 이용하여 잉곳(ingot) 형태의 복합 열전재료를 합성하는 단계와, 상기 잉곳 형태의 복합 열전재료를 급속고화법(rapid solidification method)을 이용하여 급속고화시켜 복합 열전재료 분말을 형성하는 단계 및 상기 복합 열전재료 분말을 소결하여 복합체형 열전소재를 수득하는 단계를 포함하며, 상기 복합체형 열전소재는 BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수) 열전반도체에 이종상인 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)가 분산되어 있는 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재의 제조방법을 제공한다. Further, the present invention relates to a method for producing an FeTe 2 -based alloy by mixing Bi, Sb and Te, which are raw metal materials, of a composition of Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2) A step of preparing a composite raw material by mixing Fe and Te which are Fe and Te in a composition ratio, synthesizing an ingot-type composite thermoelectric material by using the composite raw material, forming a composite thermoelectric material powder by rapid solidification using a rapid solidification method, and sintering the composite thermoelectric material powder to obtain a composite thermoelectric material, wherein the composite thermoelectric material comprises Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2), characterized in that the composite body forming the form in which the yijongsang of FeTe 2 nanoparticles and nanoparticles Fe (Fe-rich phase nanoparticle) dispersed in the thermoelectric semiconductor It provides a process for the preparation of all materials.

상기 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te는 상기 BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수)의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 0.1∼20.0 몰%를 이루게 혼합하는 것이 바람직하다. Fe and Te, which are the raw metals constituting the composition of FeTe 2 , are in a range of 0.1 to 20.0% relative to the total molar amount of Bi, Sb and Te, which are the starting metal constituting the composition of Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2) Mol%.

상기 FeTe2 나노입자는 10㎚∼1㎛의 크기를 갖는다.The FeTe 2 nanoparticles have a size of 10 nm to 1 탆.

상기 Fe 나노입자는 1∼100 ㎚의 크기를 갖는다.The Fe nanoparticles have a size of 1 to 100 nm.

상기 복합 열전재료 분말을 형성하는 단계는 상기 잉곳 형태의 복합 열전재료를 용융시키고 노즐을 통해 회전하는 휠에 분사하여 급속고화시켜 리본 형태의 형상을 갖는 복합 열전재료 분말을 얻는 단계를 포함할 수 있다.The step of forming the composite thermoelectric material powder may include melting the ingot-type composite thermoelectric material and injecting the molten composite thermoelectric material onto a rotating wheel through a nozzle to rapidly solidify the composite thermoelectric material powder to obtain a composite thermoelectric material powder having a ribbon-like shape .

상기 리본 형태의 형상은 100㎚∼10㎛의 두께, 100㎛∼5㎝의 폭, 100㎛∼5㎝의 길이를 가질 수 있다.The shape of the ribbon may have a thickness of 100 nm to 10 mu m, a width of 100 mu m to 5 cm, and a length of 100 mu m to 5 cm.

상기 소결은 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering) 또는 핫프레스 소결(Hot Press Sintering)을 이용할 수 있으며, 상기 소결은 300∼800 ℃의 온도에서 1∼100 MPa의 압력으로 진공 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.The sintering can be performed by spark plasma sintering or hot press sintering. The sintering is preferably performed in a vacuum atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. and a pressure of 1 to 100 MPa .

또한, 본 발명은, Bi-Sb-Te계 열전반도체와 FeTe2를 혼합하여 복합 원료를 준비하는 단계와, 상기 복합 원료를 이용하여 잉곳(ingot) 형태의 복합 열전재료를 합성하는 단계와, 상기 잉곳 형태의 복합 열전재료를 급속고화법(rapid solidification method)을 이용하여 급속고화시켜 복합 열전재료 분말을 형성하는 단계 및 상기 복합 열전재료 분말을 소결하여 복합체형 열전소재를 수득하는 단계를 포함하며, 상기 복합체형 열전소재는 BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수) 열전반도체에 이종상인 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)가 분산되어 있는 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재의 제조방법을 제공한다. The present invention also provides a method for producing a composite thermoelectric material, comprising: preparing a composite material by mixing a Bi-Sb-Te system thermoelectric semiconductor and FeTe 2 ; synthesizing an ingot type composite thermoelectric material by using the composite material; Rapidly solidifying the composite thermoelectric material in an ingot form using a rapid solidification method to form a composite thermoelectric material powder and sintering the composite thermoelectric material powder to obtain a composite thermoelectric material, The complex type thermoelectric material has a structure in which FeTe 2 nanoparticles and Fe-rich phase nanoparticles, which are heterogeneous, are dispersed in a thermoelectric semiconductor, Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2 ) Wherein the thermoelectric material is a thermosetting thermoplastic elastomer.

상기 FeTe2는 상기 Bi-Sb-Te계 열전반도체 대비 0.1∼20.0 몰%를 이루게 혼합하는 것이 바람직하다.The FeTe 2 is preferably mixed with 0.1 to 20.0 mol% of the Bi-Sb-Te based thermoelectric semiconductor.

상기 FeTe2 나노입자는 10㎚∼1㎛의 크기를 갖는다.The FeTe 2 nanoparticles have a size of 10 nm to 1 탆.

상기 Fe 나노입자는 1∼100 ㎚의 크기를 갖는다.The Fe nanoparticles have a size of 1 to 100 nm.

상기 복합 열전재료 분말을 형성하는 단계는 상기 잉곳 형태의 복합 열전재료를 용융시키고 노즐을 통해 회전하는 휠에 분사하여 급속고화시켜 리본 형태의 형상을 갖는 복합 열전재료 분말을 얻는 단계를 포함할 수 있다.The step of forming the composite thermoelectric material powder may include melting the ingot-type composite thermoelectric material and injecting the molten composite thermoelectric material onto a rotating wheel through a nozzle to rapidly solidify the composite thermoelectric material powder to obtain a composite thermoelectric material powder having a ribbon-like shape .

상기 리본 형태의 형상은 100㎚∼10㎛의 두께, 100㎛∼5㎝의 폭, 100㎛∼5㎝의 길이를 가질 수 있다.The shape of the ribbon may have a thickness of 100 nm to 10 mu m, a width of 100 mu m to 5 cm, and a length of 100 mu m to 5 cm.

상기 소결은 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering) 또는 핫프레스 소결(Hot Press Sintering)을 이용할 수 있으며, 상기 소결은 300∼800 ℃의 온도에서 1∼100 MPa의 압력으로 진공 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.The sintering can be performed by spark plasma sintering or hot press sintering. The sintering is preferably performed in a vacuum atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. and a pressure of 1 to 100 MPa .

본 발명의 복합체형 열전소재에 의하면, BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수) 열전반도체에 이종상인 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)가 분산되어 있는 형태를 이루므로 출력인자의 향상 및 열전도도 저감에 의해 열전성능이 향상될 수 있다. According to the composite-type thermoelectric material of the present invention, FeTe 2 nanoparticles and Fe-rich phase nanoparticles, which are heterogeneous, are dispersed in a thermoelectric semiconductor of Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2 ) The thermoelectric performance can be improved by improving the output factor and reducing the thermal conductivity.

본 발명의 복합체형 열전소재는 재료의 양단 간의 온도차가 주어지면 제벡(Seebeck) 효과에 의해 전압이 발생하는 것을 이용하는 열전발전(Thermoelectric Power Generation)과, 재료의 양단 간에 직류전류를 인가하면 한 면이 발열하고 다른 면이 흡열하는 펠티에(Peltier) 효과를 이용하는 열전냉각(Thermoelectric Cooling) 등에 응용될 수 있다.The composite thermoelectric material of the present invention has a thermoelectric power generation using a voltage generated by a Seebeck effect when a temperature difference between the two ends of the material is given, And may be applied to thermoelectric cooling using a Peltier effect in which heat is absorbed by the other side.

도 1 및 도 2는 실험예 1에 따라 제조된 열전소재와 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재의 X-선회절 패턴(XRD; X-ray diffraction)을 보여주는 도면이다.
도 3a는 실험예 2에 따라 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te가 Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 8 몰%를 이루도록 혼합하여 제조된 복합체형 열전소재의 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscope) 사진이고, 도 3b는 HAADF-STEM(high angle annular dark field-scanning transmission electron microscopy) 이미지이며, 도 3c는 HAADF-STEM 이미지와 TEM-EDS(Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy) 원소 맵(TEM-EDS elemental maps)을 보여준다.
도 4a는 실험예 2에 따라 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te가 Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 8 몰%를 이루도록 혼합하여 제조된 복합체형 열전소재의 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscope) 사진이고, 도 4b는 고해상 HAADF-STEM 이미지(High resolution HAADA-STEM image)이며, 도 4c는 HAADF-STEM 이미지와 TEM-EDS 원소 맵(TEM-EDS elemental maps)을 보여준다.
도 5는 실험예 1에 따라 제조된 열전소재와 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재의 전기전도도(σ)를 보여주는 그래프이다.
도 6은 실험예 1에 따라 제조된 열전소재와 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재의 제벡계수(S)을 보여주는 그래프이다.
도 7은 FeTe2와 Bi0 . 4Sb1 . 6Te3의 전하 농도에 따른 제벡계수(S)를 보여주는 그래프이다.
도 8은 실험예 1에 따라 제조된 열전소재와 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재의 출력인자(PF)를 보여주는 그래프이다.
도 9는 실험예 1에 따라 제조된 열전소재와 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재의 열전도도(k)를 보여주는 그래프이다.
도 10은 실험예 1에 따라 제조된 열전소재와 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재의 격자열전도도(k)를 보여주는 그래프이다.
도 11은 실험예 1에 따라 제조된 열전소재와 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재의 열전성능지수(ZT)를 보여주는 그래프이다.
FIGS. 1 and 2 are diagrams showing X-ray diffraction (XRD) of the thermoelectric material produced according to Experimental Example 1 and the composite thermoelectric material prepared according to Experimental Example 2. FIG.
3A is a graph showing the relationship between the total molar amount of Bi, Sb, and Te as a raw material metal constituting the composition of the Bi-Sb-Te based thermoelectric semiconductor, Fe and Te, which are the raw materials of FeTe 2 , FIG. 3B is a high angle annular dark field-scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) image, FIG. 3C is a HAADF-STEM image and FIG. TEM-EDS (Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy) element map (TEM-EDS elemental maps).
Figure 4a is mixed to achieve a 8 mol% compared to the total molar content of the composition forming raw material metal of Fe and Te of FeTe 2 Bi-Sb-Te based thermoelectric raw material metal constituting the composition of the semiconductor Bi, Sb and Te in accordance with Experimental Example 2 FIG. 4B is a high resolution HAADA-STEM image, FIG. 4C is a HAADF-STEM image, and TEM-EDS is a high resolution HAADA-STEM image of a composite thermoelectric material Show element-maps (TEM-EDS elemental maps).
5 is a graph showing the electrical conductivity () of the thermoelectric material produced according to Experimental Example 1 and the composite thermoelectric material prepared according to Experimental Example 2. FIG.
6 is a graph showing the shear modulus (S) of the thermoelectric material produced according to Experimental Example 1 and the composite thermoelectric material prepared according to Experimental Example 2. FIG.
7 is a graph showing the relationship between FeTe 2 and Bi 0 . 4 Sb 1 . 6 > Te < 3 & gt ;.
8 is a graph showing the output factor (PF) of the thermoelectric material produced according to Experimental Example 1 and the composite thermoelectric material prepared according to Experimental Example 2. FIG.
9 is a graph showing the thermal conductivity (k) of the thermoelectric material produced according to Experimental Example 1 and the composite thermoelectric material prepared according to Experimental Example 2. FIG.
10 is a graph showing the lattice thermal conductivity (k) of the thermoelectric material produced according to Experimental Example 1 and the composite thermoelectric material prepared according to Experimental Example 2. FIG.
11 is a graph showing the thermoelectric performance index (ZT) of the thermoelectric material produced according to Experimental Example 1 and the composite thermoelectric material prepared according to Experimental Example 2. FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be understood that the following embodiments are provided so that those skilled in the art will be able to fully understand the present invention, and that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It is not.

이하에서, 나노라 함은 나노미터 단위의 크기로서 1∼1000 ㎚의 크기를 의미하고, 나노입자라 함은 1∼1000 ㎚의 크기를 갖는 입자를 의미하는 것으로 사용한다. Hereinafter, the term " nano " refers to a size of nanometer units and a size of 1 to 1000 nm, and a term " nanoparticle " refers to particles having a size of 1 to 1000 nm.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합체형 열전소재는, BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수) 열전반도체에 이종상인 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)가 분산되어 있는 형태를 이룬다. Composite body according to an embodiment of the present invention thermal material is, Bi x Sb 2 - x Te 3 ( where X is a small real number greater than 2) of FeTe 2 nanoparticles and Fe nanoparticles yijongsang the thermoelectric semiconductor (Fe-rich phase nanoparticle ) Are dispersed.

상기 FeTe2 나노입자와 상기 Fe 나노입자는 상기 복합체형 열전소재에 상기 BixSb2-xTe3 열전반도체 대비 0.1∼20.0 몰% 함유되어 있는 것이 바람직하다.It is preferable that the FeTe 2 nanoparticles and the Fe nanoparticles are contained in the composite thermoelectric material in an amount of 0.1 to 20.0 mol% based on the Bi x Sb 2 -x Te 3 thermoelectric semiconductor.

상기 FeTe2 나노입자는 10㎚∼1㎛의 크기를 갖는다.The FeTe 2 nanoparticles have a size of 10 nm to 1 탆.

상기 Fe 나노입자는 1∼100 ㎚의 크기를 갖는다.The Fe nanoparticles have a size of 1 to 100 nm.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 복합체형 열전소재의 제조방법은, BixSb2-xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수)의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te를 조성비에 맞게 혼합하고, 여기에 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te를 조성비에 맞게 혼합하여 복합 원료를 준비하는 단계와, 상기 복합 원료를 이용하여 잉곳(ingot) 형태의 복합 열전재료를 합성하는 단계와, 상기 잉곳 형태의 복합 열전재료를 급속고화법(rapid solidification method)을 이용하여 급속고화시켜 복합 열전재료 분말을 형성하는 단계 및 상기 복합 열전재료 분말을 소결하여 복합체형 열전소재를 수득하는 단계를 포함하며, 상기 복합체형 열전소재는 BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수) 열전반도체에 이종상인 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)가 분산되어 있는 형태를 이룬다. A method of producing a composite thermoelectric material according to a preferred embodiment of the present invention includes the steps of preparing Bi, Sb and Te as raw materials of a composition of Bi x Sb 2-x Te 3 (where X is a real number smaller than 2) Mixing Fe and Te, which are the raw materials of FeTe 2 , in accordance with a composition ratio, preparing a composite raw material, synthesizing an ingot-type composite thermoelectric material using the composite raw material, , Rapidly solidifying the ingot-type composite thermoelectric material using a rapid solidification method to form a composite thermoelectric material powder, and sintering the composite thermoelectric material powder to obtain a composite-type thermoelectric material and the composite body thermoelectric material is Bi x Sb 2 - x Te 3 ( where X is a real number smaller than 2) of FeTe 2 nanoparticles and nanoparticles Fe (Fe-rich phase nanoparticle) is being dispersed in the thermoelectric semiconductor yijongsang Constitute a form.

상기 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te는 상기 BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수)의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 0.1∼20.0 몰%를 이루게 혼합하는 것이 바람직하다. Fe and Te, which are the raw metals constituting the composition of FeTe 2 , are in a range of 0.1 to 20.0% relative to the total molar amount of Bi, Sb and Te, which are the starting metal constituting the composition of Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2) Mol%.

상기 FeTe2 나노입자는 10㎚∼1㎛의 크기를 갖는다.The FeTe 2 nanoparticles have a size of 10 nm to 1 탆.

상기 Fe 나노입자는 1∼100 ㎚의 크기를 갖는다.The Fe nanoparticles have a size of 1 to 100 nm.

상기 복합 열전재료 분말을 형성하는 단계는 상기 잉곳 형태의 복합 열전재료를 용융시키고 노즐을 통해 회전하는 휠에 분사하여 급속고화시켜 리본 형태의 형상을 갖는 복합 열전재료 분말을 얻는 단계를 포함할 수 있다.The step of forming the composite thermoelectric material powder may include melting the ingot-type composite thermoelectric material and injecting the molten composite thermoelectric material onto a rotating wheel through a nozzle to rapidly solidify the composite thermoelectric material powder to obtain a composite thermoelectric material powder having a ribbon-like shape .

상기 리본 형태의 형상은 100㎚∼10㎛의 두께, 100㎛∼5㎝의 폭, 100㎛∼5㎝의 길이를 가질 수 있다.The shape of the ribbon may have a thickness of 100 nm to 10 mu m, a width of 100 mu m to 5 cm, and a length of 100 mu m to 5 cm.

상기 소결은 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering) 또는 핫프레스 소결(Hot Press Sintering)을 이용할 수 있으며, 상기 소결은 300∼800 ℃의 온도에서 1∼100 MPa의 압력으로 진공 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.The sintering can be performed by spark plasma sintering or hot press sintering. The sintering is preferably performed in a vacuum atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. and a pressure of 1 to 100 MPa .

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 복합체형 열전소재의 제조방법은, Bi-Sb-Te계 열전반도체와 FeTe2를 혼합하여 복합 원료를 준비하는 단계와, 상기 복합 원료를 이용하여 잉곳(ingot) 형태의 복합 열전재료를 합성하는 단계와, 상기 잉곳 형태의 복합 열전재료를 급속고화법(rapid solidification method)을 이용하여 급속고화시켜 복합 열전재료 분말을 형성하는 단계 및 상기 복합 열전재료 분말을 소결하여 복합체형 열전소재를 수득하는 단계를 포함하며, 상기 복합체형 열전소재는 BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수) 열전반도체에 이종상인 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)가 분산되어 있는 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재의 제조방법을 제공한다. A method of manufacturing a composite thermoelectric material according to an embodiment of the present invention includes the steps of preparing a composite material by mixing a Bi-Sb-Te system thermoelectric semiconductor with FeTe 2, and mixing the ingot with the composite material, A step of rapidly solidifying the ingot-type composite thermoelectric material using a rapid solidification method to form a composite thermoelectric material powder, and a step of sintering the composite thermoelectric material powder and a step of obtaining a composite body type thermoelectric material, the composite body type thermoelectric material is Bi x Sb 2 - x Te 3 ( where X is a small real number greater than 2) of FeTe 2 nanoparticles and Fe nanoparticles yijongsang the thermoelectric semiconductor (Fe -rich phase nanoparticle) is dispersed in the thermosetting material.

상기 FeTe2는 상기 Bi-Sb-Te계 열전반도체 대비 0.1∼20.0 몰%를 이루게 혼합하는 것이 바람직하다.The FeTe 2 is preferably mixed with 0.1 to 20.0 mol% of the Bi-Sb-Te based thermoelectric semiconductor.

상기 FeTe2 나노입자는 10㎚∼1㎛의 크기를 갖는다.The FeTe 2 nanoparticles have a size of 10 nm to 1 탆.

상기 Fe 나노입자는 1∼100 ㎚의 크기를 갖는다.The Fe nanoparticles have a size of 1 to 100 nm.

상기 복합 열전재료 분말을 형성하는 단계는 상기 잉곳 형태의 복합 열전재료를 용융시키고 노즐을 통해 회전하는 휠에 분사하여 급속고화시켜 리본 형태의 형상을 갖는 복합 열전재료 분말을 얻는 단계를 포함할 수 있다.The step of forming the composite thermoelectric material powder may include melting the ingot-type composite thermoelectric material and injecting the molten composite thermoelectric material onto a rotating wheel through a nozzle to rapidly solidify the composite thermoelectric material powder to obtain a composite thermoelectric material powder having a ribbon-like shape .

상기 리본 형태의 형상은 100㎚∼10㎛의 두께, 100㎛∼5㎝의 폭, 100㎛∼5㎝의 길이를 가질 수 있다.The shape of the ribbon may have a thickness of 100 nm to 10 mu m, a width of 100 mu m to 5 cm, and a length of 100 mu m to 5 cm.

상기 소결은 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering) 또는 핫프레스 소결(Hot Press Sintering)을 이용할 수 있으며, 상기 소결은 300∼800 ℃의 온도에서 1∼100 MPa의 압력으로 진공 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.The sintering can be performed by spark plasma sintering or hot press sintering. The sintering is preferably performed in a vacuum atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. and a pressure of 1 to 100 MPa .

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합체형 열전소재를 더욱 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a composite thermoelectric material according to a preferred embodiment of the present invention will be described more specifically.

제벡 효과를 이용한 열전발전은 신뢰성이 높고, 출력 안정성이 높을 뿐만 아니라 이산화탄소(CO2)를 발생하지 않는 발전이므로 친환경적이고, 펠티에 효과를 이용한 열전냉각은 정밀 온도 제어가 가능하고, 응답속도가 빠르며, 소음이 나지 않을 뿐만 아니라 프레온 가스를 방생하지 않는 냉각이므로 친환경적이다. Thermoelectric power generation using the Seebeck effect is environmentally friendly because it has high reliability, high output stability, and does not generate carbon dioxide (CO 2 ). Thermoelectric cooling using the Peltier effect enables precise temperature control, It is not only noise-free, but also eco-friendly because it is cooling that does not generate freon gas.

그러나, 이러한 장점에도 불구하고 열전소자는 낮은 열전 재료(열전 소재) 물성으로 인하여 사용 잠재력 대비 낮은 이용률을 나타내고 있다. Despite these advantages, however, thermoelectric elements exhibit a low utilization rate compared to their potential use due to their low thermoelectric properties (thermoelectric materials).

열전 재료의 성능을 평가하는 매개변수가 필요한데, 이를 성능지수 Z(Figure of Merit)로 표현할 수 있으며, 성능지수 Z는 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다. A parameter for evaluating the performance of the thermoelectric material is required, which can be expressed by the figure of merit Z, and the figure of merit Z can be expressed by the following equation (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

위의 수학식 1에서 α는 제벡(Seebeck) 계수이고, ρ는 전기 비저항이며, K는 열전도율이다. In the above equation (1),? Is the Seebeck coefficient,? Is the electrical resistivity, and K is the thermal conductivity.

위의 수학식 1에 나타난 바와 같이, 열전소재의 특성은 전기전도도가 높을수록, 열전도가 낮을수록 우수하다. 일반적으로는 성능지수 Z값은 직접 사용하기 보다는 이 값에 온도 T를 곱하여 무차원 열전성능지수 ZT를 만들어 사용하고 있다. As shown in Equation (1), the characteristics of the thermoelectric material are better as the electric conductivity and the thermal conductivity are lower. Generally, the figure of merit Z is obtained by multiplying this value by the temperature T rather than directly using the dimensionless thermoelectric performance index ZT.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00002
Figure pat00002

열전소재의 성능은 무차원 열전성능지수 ZT로 표현할 수 있으며, 열원의 온도에 따라 사용가능한 열전소재가 결정될 뿐만 아니라 하나의 열전소재에서도 사용 온도(T)에 따라 열기전력(S), 전기전도도(σ) 및 열전도도(k)가 달라지게 되고, 전체적으로 열전성능지수는 온도의 함수가 된다. 그러나, 각 인자인 전기전도도(σ), 열기전력(S), 열전도도(k)의 상호 의존성으로 인하여 성능의 개선의 한계가 있어왔다.The performance of the thermoelectric material can be expressed by the dimensionless thermoelectric performance index ZT. Not only the usable thermoelectric material is determined depending on the temperature of the heat source, but also the thermoelectric power (S) and the electric conductivity σ) and the thermal conductivity (k) are different, and the thermoelectric performance index as a whole is a function of temperature. However, due to the interdependence of electrical conductivity ( ? ), Thermoelectric power (S), and thermal conductivity (k), the performance has been limited.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합체형 열전소재에는 열전반도체 재료에 이종상인 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자가 함유되어 있으므로 열전도도 저감에 의해 열전성능이 향상될 수 있다. In the composite thermoelectric material according to the preferred embodiment of the present invention, since the thermoelectric semiconductor material contains FeTe 2 nanoparticles and Fe nanoparticles which are heterogeneous, the thermoelectric performance can be improved by reducing the thermal conductivity.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합체형 열전소재는 모상인 열전반도체에 이종상인 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)가 분산되어 있는 형태를 이룬다.The composite-type thermoelectric material according to the preferred embodiment of the present invention is formed by dissimilar FeTe 2 nanoparticles and Fe-rich phase nanoparticles dispersed in a thermoelectric semiconductor as a parent phase.

열전반도체 재료(120)는 Bi-Se-Te계 화합물을 포함할 수 있다. 상기 Bi-Sb-Te계 화합물은 BixSb2-xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수)를 그 예로 들 수 있다. The thermoelectric semiconductor material 120 may include a Bi-Se-Te-based compound. The Bi-Sb-Te compound is Bi x Sb 2-x Te 3 (where X is a real number smaller than 2).

상기 FeTe2 나노입자와 상기 Fe 나노입자는 상기 복합체형 열전소재에 상기 BixSb2-xTe3 열전반도체 대비 0.1∼20.0 몰% 함유되어 있는 것이 바람직하다.It is preferable that the FeTe 2 nanoparticles and the Fe nanoparticles are contained in the composite thermoelectric material in an amount of 0.1 to 20.0 mol% based on the Bi x Sb 2 -x Te 3 thermoelectric semiconductor.

상기 FeTe2 나노입자는 10㎚∼1㎛의 크기를 갖는다.The FeTe 2 nanoparticles have a size of 10 nm to 1 탆.

상기 Fe 나노입자는 1∼100 ㎚의 크기를 갖는다.The Fe nanoparticles have a size of 1 to 100 nm.

열전반도체 내에 분포하는 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자는 제백 계수의 상승에 의한 출력인자의 향상 및 포논 산란을 통한 열전도율을 감소시킴으로써 열전성능지수의 향상을 가져올 수 있다. 전기전도도의 큰 감소가 없으므로 열전성능지수의 향상이 가능하다.The FeTe 2 nanoparticles and the Fe nanoparticles distributed in the thermoelectric semiconductor can improve the thermoelectric performance index by improving the output factor due to the increase of the whitening coefficient and decreasing the thermal conductivity through the phonon scattering. Since there is no significant decrease in the electrical conductivity, it is possible to improve the thermoelectric performance index.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합체형 열전소재의 제조방법에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing a composite thermoelectric material according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail.

Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te를 원하는 조성비에 맞게 혼합하고, 여기에 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te를 조성비에 맞게 혼합하여 복합 원료를 준비한다. 상기 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te는 상기 Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 0.1∼20.0 몰%, 더욱 바람직하게는 1∼12.0 몰% 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 Bi-Sb-Te계 열전반도체는 BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수) 화합물을 그 예로 들 수 있다. 예컨대, BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수)의 조성식을 갖도록 원료 금속인 Bi, Sb, Te를 조성비에 맞게 혼합하고, 여기에 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te를 조성비에 맞게 혼합하여 복합 원료를 준비한다. Bi, Sb and Te, which are the raw materials of the composition of the Bi-Sb-Te system thermoelectric semiconductor, are mixed according to a desired composition ratio, and Fe and Te, which are the raw materials of FeTe 2 , are mixed to prepare a composite raw material do. Fe and Te, which are the raw materials of the composition of FeTe 2, are in a range of 0.1 to 20.0 mol% based on the total molar amount of Bi, Sb and Te, which are the starting metal constituting the composition of the Bi-Sb-Te system thermoelectric semiconductor, 12.0 mol% is preferably mixed. The Bi-Sb-Te-based thermoelectric semiconductor is an example of Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2). For example, Bi, Sb and Te, which are raw materials metals, are mixed so as to have a composition formula of Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2), and Fe and Fe, which constitute the composition of FeTe 2 , Te is mixed according to the composition ratio to prepare a composite raw material.

다른 예로서 Bi-Sb-Te계 열전반도체와 FeTe2를 혼합하여 복합 원료를 준비할 수도 있다. 이 경우에, 상기 Bi-Sb-Te계 열전반도체와 상기 FeTe2는 분말 상태일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 벌크 형태(예컨대, 덩어리 형태)일 수도 있다. 상기 FeTe2는 상기 Bi-Sb-Te계 열전반도체 대비 0.1∼20.0 몰%, 더욱 바람직하게는 1∼12.0 몰% 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 Bi-Sb-Te계 열전반도체는 BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수) 화합물을 그 예로 들 수 있다. As another example, the composite raw material may be prepared by mixing Bi-Sb-Te based thermoelectric semiconductor and FeTe 2 . In this case, the Bi-Sb-Te-based thermoelectric semiconductor and the FeTe 2 may be in powder form, but are not limited thereto and may be in a bulk form (for example, in a lump form). The FeTe 2 is preferably mixed with 0.1 to 20.0 mol%, more preferably 1 to 12.0 mol% of the Bi-Sb-Te based thermoelectric semiconductor. The Bi-Sb-Te-based thermoelectric semiconductor is an example of Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2).

상기 복합 원료를 이용하여 잉곳(ingot) 형태의 복합 열전재료를 합성한다. 상기 잉곳(ingot) 형태의 복합 열전재료는 상기 복합 원료를 석영 튜브(quartz tube)에 넣고 진공 실링(vacuum sealing)한 후, 용융하고 급냉하여 얻을 수 있다. 상기 용융 및 냉각은 900∼1200℃ 정도의 온도에서 10분∼48시간 동안 용융한 후, 안정화를 위해 용융 온도보다 낮은 500∼700℃ 정도의 온도에서 10분∼12시간 유지하고, 물을 이용하여 급냉(quenching)하는 공정으로 이루어질 수 있다. An ingot-type composite thermoelectric material is synthesized using the composite raw material. The ingot-type composite thermoelectric material can be obtained by placing the composite raw material in a quartz tube and vacuum-sealing the same, melting and quenching the quartz tube. The melting and cooling are performed at a temperature of about 900 to 1200 DEG C for 10 minutes to 48 hours and then held at a temperature of about 500 to 700 DEG C lower than the melting temperature for stabilization for 10 minutes to 12 hours, Followed by quenching.

상기 잉곳 형태의 복합 열전재료를 급속고화법(rapid solidification method)을 이용하여 급속고화시켜 복합 열전재료 분말을 형성한다. The ingot-type composite thermoelectric material is rapidly solidified using a rapid solidification method to form a composite thermoelectric material powder.

상기 급속고화법은 용융스피닝법(melt spinning method), 가스원자화법(gas atomization method), 플라즈마 증착법(plasma deposition method), 원심 분무법(centrifugal atomization method) 및 스플랫-치법(splat quenching method) 등이 이용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않으며, 당해 기술분야에서 급속고화법으로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.The rapid solidification method may be a melt spinning method, a gas atomization method, a plasma deposition method, a centrifugal atomization method, a splat quenching method, or the like. But it is not necessarily limited to, and can be used as a rapid solidification method in the art.

상기 급속고화법의 구체적인 예로서 용융스피닝법(melt spinning method)을 구체적으로 설명한다. 상기 용융스피닝법은 원료를 용융시키고 노즐을 통해 고속으로 회전하는 휠(wheel)에 분출시켜(또는 낙하시켜) 급속고화시키는 방법이다. 용융스피닝법을 위한 장치는, 원료를 담아 용융시키기 위한 용융로와, 상기 용융로 주위에 구비된 가열수단과, 용융로의 상부에 구비되어 용융물에 압력을 가하여 상기 노즐로 압출시키기 위한 압력공급수단과, 상기 용융로의 하부에 구비되어 용융물을 분출시키기 위한 노즐과, 상기 노즐을 통해 분사되는(낙하되는) 용융물을 급속고화시켜 리본 형태의 형상으로 만들기 위해 상기 노즐 하부에 구비된 회전 휠을 포함한다. 상기 챔버를 진공 분위기로 만들기 위한 로터리 펌프 등이 구비될 수도 있다. 상기 용융로, 상기 노즐 및 상기 회전 휠은 진공 챔버 내에 마련된다. 상기 진공 챔버 내로 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스가 공급된다. 상기 진공 챔버 내의 압력은 0.001∼0.95 bar 정도일 수 있다. 상기 휠(wheel)은 구리(Cu) 등의 금속 또는 금속합금 재질로 이루어질 수 있으며, 100∼5000 rpm 정도의 속도로 회전한다. 상기 휠(wheel) 내부에는 저온을 유지하기 위해 냉각수가 연결되어 있을 수 있다. 이러한 용융스피닝법을 위한 장치는 상업적으로 판매되고 있는 것을 사용할 수 있다. 상술한 용융스피닝법을 이용하여 상기 잉곳 형태의 복합 열전재료를 용융시키고 노즐을 통해 회전하는 휠에 분사하여 급속고화(rapid solidification)시켜 리본 형태의 복합 열전재료 분말을 얻을 수가 있다. 이와 같이 제조된 복합 열전재료 분말은 Bi-Sb-Te계 열전반도체와 FeTe2가 복합화된 분말로서, 두께보다 길이가 큰 리본 형태의 형상을 갖는다. 상기 리본 형태의 형상은 100㎚∼10㎛의 두께, 100㎛∼5㎝의 폭, 100㎛∼5㎝의 길이를 갖는 것이 바람직하다. As a specific example of the rapid solidification method, a melt spinning method will be described in detail. The melt spinning method is a method of melting raw materials and spraying (or dropping) them onto a wheel rotating at a high speed through a nozzle to rapidly solidify the raw materials. The apparatus for melt spinning comprises a melting furnace for melting a raw material, a heating means provided around the melting furnace, a pressure supply means provided at an upper portion of the melting furnace for applying pressure to the melted material and extruding the molten material into the nozzle, A nozzle provided at a lower portion of the melting furnace to eject molten material and a rotating wheel provided under the nozzle to rapidly solidify the molten material to be injected (dropped) through the nozzle into a ribbon shape. A rotary pump for making the chamber into a vacuum atmosphere, and the like. The melting furnace, the nozzle and the rotating wheel are provided in a vacuum chamber. An inert gas such as argon (Ar) is supplied into the vacuum chamber. The pressure in the vacuum chamber may be about 0.001 to 0.95 bar. The wheel may be made of a metal such as copper (Cu) or a metal alloy, and is rotated at a speed of about 100 to 5000 rpm. Cooling water may be connected to the inside of the wheel to maintain a low temperature. An apparatus for such a molten spinning method may be a commercially available apparatus. The composite thermoelectric material of the ingot type is melted and sprayed onto a rotating wheel through a nozzle using the above-described melt spinning method to perform rapid solidification to obtain a ribbon-shaped composite thermoelectric material powder. The thus-prepared composite thermoelectric material powder is a composite of a Bi-Sb-Te thermoelectric semiconductor and FeTe 2 , and has a ribbon-like shape having a length larger than the thickness. The shape of the ribbon shape preferably has a thickness of 100 nm to 10 mu m, a width of 100 mu m to 5 cm, and a length of 100 mu m to 5 cm.

상기 복합 열전재료 분말을 분쇄할 수도 있다. 상기 분쇄는 볼 밀링(ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling), 고에너지 밀링(high energy milling), 제트 밀링(zet milling), 막자 사발 등에서 분쇄하는 방법 등을 이용할 수 있으며, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며, 건식으로 분쇄하여 분말을 제조하는 방법으로서 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 것이라면 모두 가능하다. The composite thermoelectric material powder may be pulverized. The pulverization may be performed by ball milling, attrition milling, high energy milling, zet milling, grinding in a mortar, or the like. But the present invention is not limited thereto, and any method that can be used in the art can be used as a method of producing powder by dry pulverization.

이하, 볼밀법에 의한 분쇄 공정을 구체적으로 설명한다. 상기 복합 열전재료 분말을 볼밀링기(ball milling machine)에 장입하여 혼합한다. 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 상기 복합 열전재료 분말을 균일하게 혼합하면서 분쇄한다. 볼 밀에 사용되는 볼은 알루미나, 지르코니아와 같은 세라믹으로 이루어진 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하여 목표하는 입자의 크기로 분쇄한다. 예를 들면, 입자의 크기를 고려하여 볼의 크기는 1㎜∼50㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 100∼500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀은 목표하는 입자의 크기 등을 고려하여 1∼48시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. Hereinafter, the pulverization process by the ball mill method will be specifically described. The composite thermoelectric material powder is charged into a ball milling machine and mixed. The mixture is rotated at a constant speed using a ball miller to pulverize the composite thermoelectric material powder while uniformly mixing. The ball used for the ball mill may be a ball made of a ceramic such as alumina or zirconia, and the balls may be all the same size or may be used together with balls having two or more sizes. The size of the balls, the milling time, and the rotation speed per minute of the ball miller are adjusted so as to be crushed to the target particle size. For example, the size of the balls may be set in a range of about 1 mm to 50 mm in consideration of the size of the particles, and the rotational speed of the ball miller may be set in a range of about 100 to 500 rpm. The ball mill is preferably carried out for 1 to 48 hours in consideration of the target particle size and the like.

상기 복합 열전재료 분말을 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering), 핫프레스 소결(Hot Press Sintering) 등을 이용하여 소결한다. 상기 소결은 300∼800 ℃의 온도에서 1∼100 MPa의 압력으로 진공 분위기에서 1분 내지 10분 동안 수행하는 것이 바람직하나, 반드시 이러한 조건으로 한정되는 아니며, 복합체형 열전소재의 성능계수를 향상시킬 수 있는 범위 내에서 적절히 변경될 수 있음은 물론이다. 상기 소결 과정에서 이종상(heterophase)이 2차상(secondary phase)으로 석출되어 복합체형 열전소재가 형성된다. The composite thermoelectric material powder is sintered using spark plasma sintering, hot press sintering, or the like. The sintering is preferably performed at a temperature of 300 to 800 DEG C under a vacuum of 1 to 100 MPa for 1 to 10 minutes in a vacuum atmosphere. However, the sintering is not necessarily limited to these conditions, It is to be understood that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. In the sintering process, a heterophase is precipitated in a secondary phase to form a composite thermoelectric material.

이렇게 제조된 복합체형 열전소재는 모상에 2차상 나노입자가 형성된 구조를 이룬다. 상기 모상은 Bi-Sb-Te계 열전반도체로 이루어지며, 상기 2차상 나노입자는 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)로서 2종이 이룬다. 상기 복합체형 열전소재는 열전성능지수가 우수한 특성을 갖는다. 열전반도체 내에 분포하는 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자는 모상과의 에너지 밴드 조절에 의한 제벡계수 상승 및 포논 산란을 통한 열전도율을 감소시킴으로써 열전성능지수의 향상을 가져올 수 있다. 전기전도도의 큰 감소가 없으므로 열전성능지수의 향상이 가능하다.The composite thermoelectric material thus produced has a structure in which the secondary phase nanoparticles are formed on the mother phase. The parent phase is composed of a Bi-Sb-Te system thermoelectric semiconductor, and the secondary phase nanoparticles consist of two kinds of FeTe 2 nanoparticles and Fe nanoparticles (Fe-rich phase nanoparticles). The composite thermoelectric material has excellent properties of thermoelectric performance index. The FeTe 2 nanoparticles and the Fe nanoparticles distributed in the thermoelectric semiconductors can improve the thermoelectric performance index by increasing the Seebeck coefficient due to the energy band control and reducing the thermal conductivity through phonon scattering. Since there is no significant decrease in the electrical conductivity, it is possible to improve the thermoelectric performance index.

이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, experimental examples according to the present invention will be specifically shown, and the present invention is not limited by the following experimental examples.

<실험예 1><Experimental Example 1>

Bi0 . 4Sb1 . 6Te3의 조성식을 갖도록 원료 금속인 Bi, Sb, Te를 조성비에 맞게 혼합하여 원료를 준비하였다. Bi 0 . 4 Sb 1 . 6 Te 3 were mixed with each other according to the composition ratio to prepare raw materials.

상기 원료를 석영 튜브(quartz tube)에 넣고 진공 실링(vacuum sealing)한 후 용융 및 냉각하여 잉곳(ingot) 형태의 열전재료를 제조하였다. 용융 및 냉각은 1100℃ 에서 4시간 용융 후 600℃에서 1시간 유지 후 상온의 물을 이용하여 급냉(quenching)시켰다.The raw material was placed in a quartz tube, vacuum-sealed, and then melted and cooled to produce an ingot-type thermoelectric material. Melting and cooling were carried out at 1100 ° C for 4 hours, followed by holding at 600 ° C for 1 hour, followed by quenching with water at room temperature.

상기 잉곳 형태의 열전재료를 용융스피닝법(melt spinning method)으로 급속고화시켜 리본 형태의 열전재료 분말을 제조하였다. 상기 용융스피닝에서 챔버 내에서 잉곳 형태의 열전재료를 용융시킨 후 노즐을 통하여 Cu 휠(wheel)에 분출시켰다. 챔버 내부는 아르곤(Ar) 가스 분위기이며, 챔버 압력은 0.4bar, Cu 휠의 지름은 250mm, Cu 휠의 회전 속도는 1000rpm 이었다.The thermoelectric material of the ingot form was rapidly solidified by a melt spinning method to prepare a ribbon-shaped thermoelectric material powder. In the melt spinning, the thermoelectric material in the form of an ingot was melted in the chamber and ejected onto a Cu wheel through a nozzle. The inside of the chamber was an argon (Ar) gas atmosphere, the chamber pressure was 0.4 bar, the diameter of the Cu wheel was 250 mm, and the rotation speed of the Cu wheel was 1000 rpm.

상기 리본 형태의 열전재료 분말을 막자 사발에서 분쇄하여 열전재료 분말을 준비하였다.The ribbon-shaped thermoelectric material powder was pulverized in a mortar to prepare a thermoelectric material powder.

상기 열전재료 분말을 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering)을 이용하여 열전소재를 제조하였다. 상기 스파크 플라즈마 소결은 400℃에서 3분 동안 60MPa의 압력 및 진공 조건에서 수행하였다.A thermoelectric material was prepared by spark plasma sintering of the thermoelectric material powder. The spark plasma sintering was performed at 400 DEG C for 3 minutes under a pressure of 60 MPa and a vacuum condition.

<실험예 2><Experimental Example 2>

Bi0 . 4Sb1 . 6Te3의 조성식을 갖도록 원료 금속인 Bi, Sb, Te를 조성비에 맞게 혼합하고, 여기에 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te를 조성비에 맞게 혼합하여 복합 원료를 준비하였다. 상기 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te는 상기 Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 각각 2, 4, 8, 11 몰%를 이루도록 혼합하였다. Bi 0 . 4 Sb 1 . 6 Te 3 were mixed in accordance with the composition ratios, and Fe and Te, which are the raw materials of FeTe 2 , were mixed to prepare a composite raw material. Fe and Te, which are the raw materials of the composition of FeTe 2 , are 2, 4, 8, and 11 mol%, respectively, relative to the total molar amount of Bi, Sb and Te, which are the starting metal constituting the composition of the Bi-Sb- .

상기 복합 원료를 석영 튜브(quartz tube)에 넣고 진공 실링(vacuum sealing)한 후 용융 및 냉각하여 잉곳(ingot) 형태의 복합 열전재료를 제조하였다. 용융 및 냉각은 1100℃ 에서 4시간 용융 후 600℃에서 1시간 유지 후 상온의 물을 이용하여 급냉(quenching)시켰다.The composite raw material was placed in a quartz tube, vacuum-sealed, and then melted and cooled to prepare an ingot-type composite thermoelectric material. Melting and cooling were carried out at 1100 ° C for 4 hours, followed by holding at 600 ° C for 1 hour, followed by quenching with water at room temperature.

상기 잉곳 형태의 복합 열전재료를 용융스피닝법(melt spinning method)으로 급속고화시켜 리본 형태의 복합 열전재료 분말을 제조하였다. 상기 용융스피닝에서 챔버 내에서 잉곳 형태의 복합 열전재료를 용융시킨 후 노즐을 통하여 Cu 휠(wheel)에 분출시켰다. 챔버 내부는 아르곤(Ar) 가스 분위기이며, 챔버 압력은 0.4bar, Cu 휠의 지름은 250mm, Cu 휠의 회전 속도는 1000rpm 이었다.The composite thermoelectric material in the ingot form was rapidly solidified by a melt spinning method to prepare a ribbon-shaped composite thermoelectric material powder. In the melt spinning, the composite thermoelectric material in the form of an ingot was melted in the chamber and ejected onto a Cu wheel through a nozzle. The inside of the chamber was an argon (Ar) gas atmosphere, the chamber pressure was 0.4 bar, the diameter of the Cu wheel was 250 mm, and the rotation speed of the Cu wheel was 1000 rpm.

상기 리본 형태의 복합 열전재료 분말을 막자 사발에서 분쇄하여 복합 열전재료 분말을 준비하였다.The ribbon-shaped composite thermoelectric material powder was pulverized in a mortar bowl to prepare a composite thermoelectric material powder.

상기 복합 열전재료 분말을 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering)을 이용하여 복합체형 열전소재를 제조하였다. 상기 스파크 플라즈마 소결은 400℃에서 3분 동안 60MPa의 압력 및 진공 조건에서 수행하였다.The composite thermoelectric material was prepared by spark plasma sintering of the composite thermoelectric material powder. The spark plasma sintering was performed at 400 DEG C for 3 minutes under a pressure of 60 MPa and a vacuum condition.

도 1 및 도 2는 실험예 1에 따라 제조된 열전소재와 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재의 X-선회절 패턴(XRD; X-ray diffraction)을 보여주는 도면이다. 도 1 및 도 2에서 'BST'는 실험예 1에 따라 제조된 열전소재에 대한 것이고, 'BST-2% FeTe2'는 실험예 2에 따라 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te가 Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 2 몰%를 이루도록 혼합하여 제조된 복합체형 열전소재에 대한 것이며, 'BST-4% FeTe2'는 실험예 2에 따라 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te가 Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 4 몰%를 이루도록 혼합하여 제조된 복합체형 열전소재에 대한 것이고, 'BST-8% FeTe2'는 실험예 2에 따라 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te가 Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 8 몰%를 이루도록 혼합하여 제조된 복합체형 열전소재에 대한 것이며, 'BST-11% FeTe2'는 실험예 2에 따라 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te가 Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 11 몰%를 이루도록 혼합하여 제조된 복합체형 열전소재에 대한 것이다.FIGS. 1 and 2 are diagrams showing X-ray diffraction (XRD) of the thermoelectric material produced according to Experimental Example 1 and the composite thermoelectric material prepared according to Experimental Example 2. FIG. In FIG. 1 and FIG. 2, 'BST' is for the thermoelectric material produced according to Experimental Example 1, and 'BST-2% FeTe 2 ' is Fe and Te, which are the raw metals forming the composition of FeTe 2 according to Experimental Example 2, BST-4% FeTe 2 'is a composite type thermoelectric material prepared by mixing 2 mol% of the total molar amount of Bi, Sb and Te, which are the raw metals of the composition of the -Sb-Te thermoelectric semiconductor. According to Example 2, Fe and Te, which are the raw materials of FeTe 2 , were mixed to make 4 mol% based on the total molar amount of Bi, Sb and Te, which are the raw metals of the composition of the Bi-Sb- BST-8% FeTe 2 'is a raw material metal that forms the composition of FeTe 2 , and Fe and Te which are the raw materials of the composition of Bi-Sb-Te based thermoelectric semiconductor are Bi, Sb And 8 mol% based on the total molar content of Te. BST-11% FeTe 2 'is the raw material metal constituting the composition of FeTe 2 according to Experimental Example 2, and Fe and Te are the raw materials of Bi, Sb and Te which are the raw metal constituting the composition of the Bi-Sb- To 11 mol% based on the molar content of the composite material.

도 1 및 도 2를 참조하면, 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재에서 FeTe2 결정상이 나타났으며, 특히 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te가 4 몰% 이상 첨가된 경우에 뚜렷하게 FeTe2 결정 피크가 나타난 것을 확인할 수 있었다.1 and 2, FeTe 2 crystal phase was observed in the composite thermoelectric material prepared according to Experimental Example 2. In particular, when Fe and Te, which are the raw materials of FeTe 2 , were added in an amount of 4 mol% or more It was confirmed that FeTe 2 crystal peak clearly appeared.

도 3a는 실험예 2에 따라 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te가 Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 8 몰%를 이루도록 혼합하여 제조된 복합체형 열전소재의 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscope) 사진이고, 도 3b는 HAADF-STEM(high angle annular dark field-scanning transmission electron microscopy) 이미지이며, 도 3c는 HAADF-STEM 이미지와 TEM-EDS(Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy) 원소 맵(TEM-EDS elemental maps)을 보여준다.3A is a graph showing the relationship between the total molar amount of Bi, Sb, and Te as a raw material metal constituting the composition of the Bi-Sb-Te based thermoelectric semiconductor, Fe and Te, which are the raw materials of FeTe 2 , FIG. 3B is a high angle annular dark field-scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) image, FIG. 3C is a HAADF-STEM image and FIG. TEM-EDS (Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy) element map (TEM-EDS elemental maps).

도 4a는 실험예 2에 따라 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te가 Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 8 몰%를 이루도록 혼합하여 제조된 복합체형 열전소재의 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscope) 사진이고, 도 4b는 고해상 HAADF-STEM 이미지(High resolution HAADA-STEM image)이며, 도 4c는 HAADF-STEM 이미지와 TEM-EDS 원소 맵(TEM-EDS elemental maps)을 보여준다.Figure 4a is mixed to achieve a 8 mol% compared to the total molar content of the composition forming raw material metal of Fe and Te of FeTe 2 Bi-Sb-Te based thermoelectric raw material metal constituting the composition of the semiconductor Bi, Sb and Te in accordance with Experimental Example 2 FIG. 4B is a high resolution HAADA-STEM image, FIG. 4C is a HAADF-STEM image, and TEM-EDS is a high resolution HAADA-STEM image of a composite thermoelectric material Show element-maps (TEM-EDS elemental maps).

도 3a 내지 도 4c를 참조하면, 모상에 2차상 나노입자들이 형성되어 구조를 볼 수 있다. 모상 내부에 FeTe2 나노입자가 형성되어 있는 동시에 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)가 형성되어 있는 구조를 이루는 것을 관찰할 수 있었다. 상기 FeTe2 나노입자는 10㎚∼1㎛의 크기를 가지며, 상기 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)는 1∼100 ㎚의 크기를 가진다.Referring to FIGS. 3A to 4C, secondary nanoparticles are formed on the parent phase to show the structure. It was observed that FeTe 2 nanoparticles were formed in the core and Fe nanoparticles were formed. The FeTe 2 nanoparticles have a size of 10 nm to 1 탆, and the Fe-rich phase nanoparticles have a size of 1 to 100 nm.

도 5는 실험예 1에 따라 제조된 열전소재와 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재의 전기전도도(σ)를 보여주는 그래프이고, 도 6은 실험예 1에 따라 제조된 열전소재와 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재의 제벡계수(S)을 보여주는 그래프이며, 도 7은 FeTe2와 Bi0 . 4Sb1 . 6Te3의 전하 농도에 따른 제벡계수(S)를 보여주는 그래프이며, 도 8은 실험예 1에 따라 제조된 열전소재와 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재의 출력인자(PF)를 보여주는 그래프이고, 도 9는 실험예 1에 따라 제조된 열전소재와 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재의 열전도도(k)를 보여주는 그래프이며, 도 10은 실험예 1에 따라 제조된 열전소재와 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재의 격자열전도도(k)를 보여주는 그래프이고, 도 11은 실험예 1에 따라 제조된 열전소재와 실험예 2에 따라 제조된 복합체형 열전소재의 열전성능지수(ZT)를 보여주는 그래프이다. 도 5, 도 6, 도 8 내지 도 11에서 'BST'는 실험예 1에 따라 제조된 열전소재에 대한 것이고, 'BST-2% FeTe2'는 실험예 2에 따라 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te가 Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 2 몰%를 이루도록 혼합하여 제조된 복합체형 열전소재에 대한 것이며, 'BST-4% FeTe2'는 실험예 2에 따라 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te가 Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 4 몰%를 이루도록 혼합하여 제조된 복합체형 열전소재에 대한 것이고, 'BST-8% FeTe2'는 실험예 2에 따라 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te가 Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 8 몰%를 이루도록 혼합하여 제조된 복합체형 열전소재에 대한 것이며, 'BST-11% FeTe2'는 실험예 2에 따라 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te가 Bi-Sb-Te계 열전반도체의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 11 몰%를 이루도록 혼합하여 제조된 복합체형 열전소재에 대한 것이다.FIG. 5 is a graph showing the electrical conductivity () of the thermoelectric material produced according to Experimental Example 1 and the composite thermoelectric material prepared according to Experimental Example 2, FIG. 6 is a graph showing the electric conductivity is a graph showing the Seebeck coefficient (S) of the composite body type thermoelectric material prepared according to 2, Figure 7 is FeTe and Bi 2 0. 4 Sb 1 . 6 Te 3 is a graph showing the Seebeck coefficient (S) according to the charge density, Figure 8 shows the output factor (PF) of the composite body type thermoelectric material prepared according to the thermal transfer material in Experiment Example 2 produced according to Experimental Example 1 FIG. 9 is a graph showing the thermal conductivity (k) of the thermoelectric material produced according to Experimental Example 1 and the composite thermoelectric material prepared according to Experimental Example 2, and FIG. 10 is a graph showing the thermal conductivity Fig. 11 is a graph showing the lattice thermal conductivity (k) of the composite thermoelectric material produced according to Experimental Example 2. Fig. 11 is a graph showing the lattice thermal conductivity (k) of the thermoelectric material produced according to Experimental Example 1 and the thermoelectric This figure shows the performance index (ZT). 5, 6, and 8 to 11, 'BST' refers to the thermoelectric material produced according to Experimental Example 1, 'BST-2% FeTe 2 ' corresponds to the FeTe 2 composition according to Experimental Example 2, BST-4 is a composite type thermoelectric material prepared by mixing Fe and Te, which are Fe, and Te, in an amount of 2 mol% based on the total molar amount of Bi, Sb and Te, which are the raw metals of the composition of the Bi-Sb- % FeTe 2 'was prepared in the same manner as in Experimental Example 2 except that Fe and Te, which are the raw materials of the composition of FeTe 2 , were 4 mol% based on the total molar amount of Bi, Sb and Te, which are the starting metal constituting the composition of the Bi-Sb- 'BST-8% FeTe 2 ' is a mixed-type thermoelectric material prepared by mixing Fe and Te, which are the raw materials of the composition of FeTe 2 according to Experimental Example 2, with a composition of Bi-Sb-Te thermoelectric semiconductor And 8 mol% based on the total molar amount of Bi, Sb and Te, which are raw material metals, I are for the material, 'BST-11% FeTe 2 ' is in the composition forming raw material metal of Fe and Te of FeTe 2 raw material metals forming a composition of Bi-Sb-Te based thermoelectric semiconductor according to Experimental Example 2 Bi, Sb, and Te of 11 mol% based on the total molar content of the thermoelectric material.

도 5 내지 도 11을 참조하면, Bi-Sb-Te계 열전반도체(Bi0 . 4Sb1 . 6Te3 열전반도체)에 FeTe2를 도입함으로써 제벡계수 상승 및 파워팩터 상승, 열전도도 저감 효과를 보이는 것으로 판단된다. 모상(Bi0.4Sb1.6Te3 열전반도체)과 FeTe2 간의 밴드 얼라인먼트(band alignment)를 이루어 제벡계수가 상승하는 것으로 판단된다.Referring to Figure 5 to Figure 11, a Bi-Sb-Te based thermoelectric semiconductor (Bi 0. 4 Sb 1. 6 Te 3 Thermoelectric Semiconductor) in FeTe 2 by introducing the Seebeck coefficient increases and the power factor increases, the thermal conductivity reduction effects It is judged to be visible. It is considered that the anti-Seebeck coefficient increases due to band alignment between the parent phase (Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 thermoelectric semiconductor) and FeTe 2 .

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, This is possible.

Claims (13)

BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수) 열전반도체에 이종상인 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)가 분산되어 있는 형태를 이루는 복합체형 열전소재.
Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2 ) Composite body thermoelectric materials in which heterogeneous FeTe 2 nanoparticles and Fe-rich phase nanoparticles are dispersed in a thermoelectric semiconductor.
제1항에 있어서, 상기 FeTe2 나노입자와 상기 Fe 나노입자는 상기 복합체형 열전소재에 상기 BixSb2 - xTe3 열전반도체 대비 0.1∼20.0 몰% 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재.
The composite thermoelectric material according to claim 1, wherein the FeTe 2 nanoparticles and the Fe nanoparticles are contained in the composite thermoelectric material in an amount of 0.1 to 20.0 mol% based on the Bi x Sb 2 - x Te 3 thermoelectric semiconductor. Material.
제1항에 있어서, 상기 FeTe2 나노입자는 10㎚∼1㎛의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재.
The composite thermoelectric material according to claim 1, wherein the FeTe 2 nanoparticles have a size of 10 nm to 1 탆.
제1항에 있어서, 상기 Fe 나노입자는 1∼100 ㎚의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재.
The composite thermoelectric material according to claim 1, wherein the Fe nanoparticles have a size of 1 to 100 nm.
BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수)의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te를 조성비에 맞게 혼합하고, 여기에 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te를 조성비에 맞게 혼합하여 복합 원료를 준비하는 단계;
상기 복합 원료를 이용하여 잉곳(ingot) 형태의 복합 열전재료를 합성하는 단계;
상기 잉곳 형태의 복합 열전재료를 급속고화법(rapid solidification method)을 이용하여 급속고화시켜 복합 열전재료 분말을 형성하는 단계; 및
상기 복합 열전재료 분말을 소결하여 복합체형 열전소재를 수득하는 단계를 포함하며,
상기 복합체형 열전소재는 BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수) 열전반도체에 이종상인 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)가 분산되어 있는 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재의 제조방법.
Bi, Sb and Te which are the raw materials of the metal constituting the composition of Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2) are mixed in accordance with the composition ratio, and Fe and Te, which are the raw metals forming the composition of FeTe 2 , To prepare a composite raw material;
Synthesizing an ingot-type composite thermoelectric material using the composite material;
Rapidly solidifying the ingot-type composite thermoelectric material using a rapid solidification method to form a composite thermoelectric material powder; And
And sintering the composite thermoelectric material powder to obtain a composite thermoelectric material,
The complex type thermoelectric material has a structure in which FeTe 2 nanoparticles and Fe-rich phase nanoparticles, which are heterogeneous, are dispersed in a thermoelectric semiconductor, Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2 ) Wherein the composite thermoelectric material is a thermoelectric material.
Bi-Sb-Te계 열전반도체와 FeTe2를 혼합하여 복합 원료를 준비하는 단계;
상기 복합 원료를 이용하여 잉곳(ingot) 형태의 복합 열전재료를 합성하는 단계;
상기 잉곳 형태의 복합 열전재료를 급속고화법(rapid solidification method)을 이용하여 급속고화시켜 복합 열전재료 분말을 형성하는 단계; 및
상기 복합 열전재료 분말을 소결하여 복합체형 열전소재를 수득하는 단계를 포함하며,
상기 복합체형 열전소재는 BixSb2 - xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수) 열전반도체에 이종상인 FeTe2 나노입자와 Fe 나노입자(Fe-rich phase nanoparticle)가 분산되어 있는 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재의 제조방법.
Preparing a composite raw material by mixing a Bi-Sb-Te system thermoelectric semiconductor and FeTe 2 ;
Synthesizing an ingot-type composite thermoelectric material using the composite material;
Rapidly solidifying the ingot-type composite thermoelectric material using a rapid solidification method to form a composite thermoelectric material powder; And
And sintering the composite thermoelectric material powder to obtain a composite thermoelectric material,
The complex type thermoelectric material has a structure in which FeTe 2 nanoparticles and Fe-rich phase nanoparticles, which are heterogeneous, are dispersed in a thermoelectric semiconductor, Bi x Sb 2 - x Te 3 (where X is a real number smaller than 2 ) Wherein the composite thermoelectric material is a thermoelectric material.
제5항에 있어서, 상기 FeTe2의 조성을 이루는 원료 금속인 Fe 및 Te는 상기 BixSb2-xTe3(여기서 X는 2보다 작은 실수)의 조성을 이루는 원료 금속인 Bi, Sb 및 Te의 전체 몰 함량 대비 0.1∼20.0 몰%를 이루게 혼합하는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재의 제조방법.
6. The method of claim 5, wherein Fe and Te, which are the raw materials of the composition of FeTe 2 , are the total of Bi, Sb, and Te, which are the raw metal constituting the composition of Bi x Sb 2-x Te 3 (where X is a real number smaller than 2) Wherein the molar content of the thermoplastic elastomer is in the range of 0.1 to 20.0 mol% based on the molar content.
제6항에 있어서, 상기 FeTe2는 상기 Bi-Sb-Te계 열전반도체 대비 0.1∼20.0 몰%를 이루게 혼합하는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재의 제조방법.
[7] The method according to claim 6, wherein the FeTe 2 is mixed with 0.1 to 2.0 mol% of the Bi-Sb-Te based thermoelectric semiconductor.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 FeTe2 나노입자는 10㎚∼1㎛의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재의 제조방법.
The composite thermoelectric material according to claim 5 or 6, wherein the FeTe 2 nanoparticles have a size of 10 nm to 1 탆.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 Fe 나노입자는 1∼100 ㎚의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재의 제조방법.
The composite thermoelectric material of claim 5 or 6, wherein the Fe nanoparticles have a size of 1 to 100 nm.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 복합 열전재료 분말을 형성하는 단계는 상기 잉곳 형태의 복합 열전재료를 용융시키고 노즐을 통해 회전하는 휠에 분사하여 급속고화시켜 리본 형태의 형상을 갖는 복합 열전재료 분말을 얻는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재의 제조방법.
[7] The method according to claim 5 or 6, wherein the step of forming the composite thermoelectric material powder comprises melting the ingot-type composite thermoelectric material and spraying the molten composite thermoelectric material onto a rotating wheel through a nozzle to rapidly solidify the composite thermoelectric material powder, To obtain a material powder. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제11항에 있어서, 상기 리본 형태의 형상은 100㎚∼10㎛의 두께, 100㎛∼5㎝의 폭, 100㎛∼5㎝의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재의 제조방법.
The composite thermoelectric material manufacturing method according to claim 11, wherein the shape of the ribbon shape has a thickness of 100 nm to 10 m, a width of 100 m to 5 cm, and a length of 100 m to 5 cm.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 소결은 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering) 또는 핫프레스 소결(Hot Press Sintering)을 이용하며,
상기 소결은 300∼800 ℃의 온도에서 1∼100 MPa의 압력으로 진공 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 복합체형 열전소재의 제조방법.
The method according to claim 5 or 6, wherein the sintering is performed using spark plasma sintering or hot press sintering,
Wherein the sintering is performed in a vacuum atmosphere at a temperature of 300 to 800 DEG C and a pressure of 1 to 100 MPa.
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