KR20190028944A - Method for manufacturing thermoelectric material - Google Patents

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KR20190028944A
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류병길
강찬영
송선용
임종래
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엘지전자 주식회사
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Abstract

The present invention relates to a thermoelectric material and, specifically, to a manufacturing method of a thermoelectric material for increasing dislocation density. The present invention relates to the manufacturing method of a thermoelectric material comprising: a step of manufacturing a bulk thermoelectric material using a thermoelectric material raw material; a step of manufacturing the bulk thermoelectric material into powder; a step of adding a metal additive selected from the thermoelectric material raw material to the powder; a step of forming an intermediate in which the metal additive is dispersed in the thermoelectric material; and a step of sintering the same at a temperature above a melting point of the metal additive.

Description

열전소재의 제조 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING THERMOELECTRIC MATERIAL}[0001] METHOD FOR MANUFACTURING THERMOELECTRIC MATERIAL [0002]

본 발명은 열전소재에 관한 것으로서, 특히, 전위 밀도를 높이는 열전소재의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric material, and more particularly, to a method of manufacturing a thermoelectric material for increasing a dislocation density.

열전 현상(thermoelectric effect)은 열과 전기 사이의 가역적이고, 직접적인 에너지 변환을 의미한다. 열전현상은 재료 내부의 전하 운반자(charge carrier), 즉 전자와 정공의 이동에 의해 발생하는 현상이다.The thermoelectric effect is a reversible, direct energy conversion between heat and electricity. Thermoelectric phenomenon is a phenomenon caused by the movement of charge carriers, ie, electrons and holes, in the material.

제벡 효과(Seebeck effect)는 온도 차이가 전기로 직접적으로 변환되는 것으로서, 열전소재 양단의 온도 차이로부터 발생하는 기전력을 이용하여 발전분야에 응용된다. 펠티어 효과(Peltier effect)는 회로에 전류를 흘릴 때 상부 접합(upper junction)에서 열이 발생하고 하부 접합(lower junction)에서 열이 흡수되는 현상으로서, 외부로부터 인가된 전류에 의해 형성된 양단의 온도차를 이용하여 냉각분야에 응용된다. 한편, 제벡 효과, 펠 티어 효과는 열역학적으로 가역적인 점에서 그렇지 않은 줄 가열(Joule heating)과 다르다.The Seebeck effect is a direct conversion of the temperature difference into electricity, and is applied to the power generation field by using the electromotive force resulting from the temperature difference between the two ends of the thermoelectric material. The Peltier effect is a phenomenon in which heat is generated at the upper junction and heat is absorbed at the lower junction when a current is passed through the circuit, And is applied to the cooling field. On the other hand, the Seebeck effect and the Phelthier effect are different from the Joule heating in that they are thermodynamically reversible.

현재 열전소재는 수동형 냉각 시스템으로 발열 문제 해결이 어려운 반도체 장비 및 다른 전자기기의 능동형 냉각 시스템으로 적용되고 있으며, DNA 연구에 응용되는 정밀 온도제어 시스템 등 기존의 냉매가스 압축방식의 시스템으로는 해결 불가능한 분야에서의 수요가 확대되고 있다. Currently, thermoelectric materials are applied as active cooling system of semiconductor equipment and other electronic equipment which is difficult to solve the heat problem due to passive cooling system. It is impossible to solve with existing refrigerant gas compression system such as precision temperature control system applied to DNA research Demand in the field is expanding.

열전냉각은 환경문제를 유발하는 냉매가스를 사용하지 않는 무진동, 저소음의 친환경 냉각기술이다. 고효율의 열전냉각재료의 개발로 냉각효율을 향상하면 상업용 및 가정용 냉장고, 에어컨 등 범용 냉각 분야에까지 응용의 폭을 확대할 수 있다. Thermoelectric cooling is a non-vibration, low-noise, environmentally friendly cooling technology that does not use refrigerant gas to cause environmental problems. With the development of high efficiency thermoelectric cooling materials, the application efficiency can be extended to general cooling applications such as commercial and household refrigerators and air conditioners.

또한 자동차 엔진부, 산업용 공장 등에서 열이 방출되는 부분에 열전소재를 적용하면 재료 양단에 발생하는 온도차에 의한 발전이 가능하여 신재생 에너지원의 하나로 주목 받고 있다.In addition, when a thermoelectric material is applied to a portion where heat is emitted from an automobile engine or an industrial factory, it is possible to generate electricity by the temperature difference generated at both ends of the material, thereby attracting attention as one of the renewable energy sources.

본 발명은 전술한 필요성을 충족하기 위해 제안되는 것으로서, 열전성능을 향상시킬 수 있는 열전소재의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention has been proposed in order to satisfy the above-mentioned necessity, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a thermoelectric material capable of improving thermoelectric performance.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not restrictive of the invention, unless further departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be possible.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 열전소재의 제조 방법에 있어서, 열전소재 원재료를 이용하여 벌크 열전소재를 제조하는 단계; 상기 벌크 열전소재를 분말로 제조하는 단계; 상기 분말에 상기 열전소재 원재료 중에서 선택된 금속 첨가물을 추가하는 단계; 상기 열전소재에 상기 금속 첨가물이 분산된 중간체를 형성하는 단계; 및 상기 금속 첨가물의 용융점 이상의 온도에서 소결하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method of manufacturing a thermoelectric material, comprising the steps of: preparing a bulk thermoelectric material by using a thermoelectric material; Preparing the bulk thermoelectric material as a powder; Adding a metal additive selected from the thermoelectric material to the powder; Forming an intermediate in which the metal additive is dispersed in the thermoelectric material; And sintering at a temperature equal to or higher than the melting point of the metal additive.

여기서, 상기 열전소재는, 하기 화학식 1의 조성을 가지고,Here, the thermoelectric material has a composition represented by the following formula (1)

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

(TI)x(Bi0 .5Sb1 .5- xTe3 -y)1-x (TI) x (Bi 0 .5 Sb 1 .5- x Te 3 -y) 1-x

상기 TI는 위상기하학적 부도체(Topological Insulator)일 수 있다.The TI may be a topological insulator.

또한, 상기 열전소재는, 상기 Bi0 .5Sb1 .5- xTe3 -y 물질로 구성되는 제 1 그레인 및 상기 위상기하학적 부도체(Topological Insulator)로 구성되는 제 2 그레인을 포함하는 이중상의 구조를 가질 수 있다.In addition, the thermal material, the Bi 0 .5 on the double structure including a second grain consisting of the first grains, and the geometric phase insulators (Topological Insulator) consisting of Sb x Te 3 -y 1 .5- material Lt; / RTI &gt;

또한, 상기 위상기하학적 부도체는, AgSbTe2 및 Ag2Te 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In addition, the phase geometry nonconductor may include at least one of AgSbTe 2 and Ag 2 Te.

또한, 상기 화학식 1 중에서, 0 < x ≤ 0.4, 0 < y ≤ 0.5일 수 있다.In the above formula (1), 0 <x? 0.4 and 0 <y? 0.5.

여기서, 상기 원재료는 Ag, Bi, Sb, Te를 포함할 수 있다.Here, the raw material may include Ag, Bi, Sb, and Te.

여기서, 상기 금속 첨가물은 텔루륨(Te)일 수 있다.Here, the metal additive may be tellurium (Te).

여기서, 상기 금속 첨가물은 상기 원재료 대비 20 초과 내지 25 중량%로 포함될 수 있다.Here, the metal additive may be contained in an amount of more than 20% by weight based on the raw material.

여기서, 상기 중간체를 형성하는 단계는, 용융 및 급속냉각장치를 이용하여 수행될 수 있다.Here, the step of forming the intermediate may be carried out using a melting and rapid cooling apparatus.

또한, 상기 중간체를 형성하는 단계는, 노즐을 가지는 관에 상기 열전소재 분말 및 상기 금속 첨가물을 장입하는 단계; 상기 열전소재 분말 및 상기 금속 첨가물을 액체상태로 용융하는 단계; 및 상기 용융된 재료를 회전판에 토출시켜 리본형태의 입자를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the step of forming the intermediate may include: charging the thermoelectric material powder and the metal additive into a tube having a nozzle; Melting the thermoelectric material powder and the metal additive in a liquid state; And discharging the molten material to a rotating plate to form particles in the form of a ribbon.

여기서, 상기 소결하는 단계는, 스파크 플라즈마 소결법을 이용할 수 있다.The sintering step may be a spark plasma sintering method.

또한, 상기 소결하는 단계는, 상기 금속 첨가물이 외부로 용출되어 전위를 형성하기 위한 것일 수 있다.In addition, the sintering may be performed so that the metal additive is eluted to the outside to form a dislocation.

본 발명의 실시예에 의하면, 열전성능을 향상시킨 열전소재를 제공할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a thermoelectric material having improved thermoelectric performance.

구체적으로, 전기 전도도가 증가함과 동시에 열전도도가 감소하여, 열전소재의 성능지수인 ZT가 크게 향상된 열전소재를 얻을 수 있다.Specifically, as the electric conductivity increases and the thermal conductivity decreases, a thermoelectric material having a significantly improved performance index ZT of the thermoelectric material can be obtained.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtained by the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description will be.

도 1a 내지 도 1c는 열전소재의 성능지수 ZT를 향상시키기 위한 열전소재의 미세 구조를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의하여 형성된 이종의 위상부도체 각각에 의해서 계면이 형성된 열전소재의 미세 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전위를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전소재의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 벌크 열전소재의 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 측정 스펙트럼이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 벌크 열전소재의 고배율 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 중간체의 표면 SEM(scanning electron microscopy) 사진이다.
도 8은 도 7의 A 부분의 확대도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의하여 소결하여 제조된 열전소재의 고배율 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 10 내지 도 13은 각각 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 열전소재의 온도에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
1A to 1C are diagrams showing the microstructure of thermoelectric materials for improving the figure of merit ZT of the thermoelectric material.
2 is a schematic view showing a microstructure of a thermoelectric material having an interface formed by each of different types of phase insulators formed according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram for explaining the potential shown in Fig.
4 is a flowchart showing a method of manufacturing a thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
5 is an X-ray diffraction (XRD) measurement spectrum of a bulk thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
6 is a high magnification transmission electron microscope (TEM) photograph of a bulk thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
7 is a scanning electron microscopy (SEM) photograph of an intermediate according to an embodiment of the present invention.
8 is an enlarged view of a portion A in Fig.
9 is a high magnification transmission electron microscope (TEM) photograph of a thermoelectric material produced by sintering according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 10 to 13 are graphs showing characteristics of thermoelectric materials manufactured according to embodiments of the present invention, according to temperature. FIG.

상온(300K) 부근에서 냉각 또는 히트 펌프(heat pump) 용도로 사용되는 열전소재의 조성은 일반적으로 (BiaSb1-a)2(TecSe1-c)3이며, 다결정 벌크 재료의 성능지수(ZT)는 300K에서 약 1이다. 열전소재의 성능은 무차원 성능지수(dimensionless figure of merit)로 통칭되는 수학식 1과 같이 정의되는 성능지수(ZT) 값을 통해 나타낼 수 있다.The composition of the thermoelectric material used for cooling or heat pump in the vicinity of room temperature (300K) is generally (Bi a Sb 1-a ) 2 (Te c Se 1-c ) 3 , and the performance of the polycrystalline bulk material The index (ZT) is about 1 at 300K. The performance of the thermoelectric material can be represented by a figure of merit (ZT) defined as Equation 1, commonly referred to as a dimensionless figure of merit.

Figure pat00001
Figure pat00001

수학식 1에서, S는 제벡 계수(1℃당 온도차로 인하여 발생되는 열기전력(thermoelectric power)을 의미한다), σ는 전기 전도도, T는 절대온도, κ는 열전도도이다. S2σ는 파워팩터(power factor)를 구성한다. 위의 수학식 1에 나타난 바와 같이 열전소재의 성능지수(ZT)를 증가시키기 위해서는 제벡(Seebeck) 계수(S)와 전기전도도(σ), 즉, 파워팩터(S2σ는 증가시키고 열전도도(κ)는 감소시켜야 한다. In Equation (1), S is the Seebeck coefficient (which means the thermoelectric power generated by the temperature difference per 1 ° C), σ is the electrical conductivity, T is the absolute temperature, and κ is the thermal conductivity. S 2 ? Constitutes a power factor. In order to increase the figure of merit (ZT) of the thermoelectric material as shown in equation (1) above Seebeck (Seebeck) coefficient (S) and electrical conductivity (σ), that is, power factor (S 2 σ is increased and the thermal conductivity ( κ) should be reduced.

그러나 제벡 계수와 전기 전도도는 서로 교환상쇄관계의 관계가 있어서, 운반자인 전자 또는 정공의 농도의 변화에 따라 한 값이 증가하면 다른 한 값은 작아진다. 예를 들면, 전기 전도도가 높은 금속의 제벡 계수는 낮고, 전기 전도도가 낮은 절연 물질의 제벡 계수는 높은 편이다. 이와 같은 제벡 계수와 전기 전도도의 교환상쇄관계는 파워팩터를 증가시키는데 큰 제약이 된다.However, since the Jacobian coefficient and the electric conductivity have a relationship of exchange-canceling relation, the other value decreases as the value increases as the carrier or electron concentration increases. For example, metals with high electrical conductivity have low Seebeck coefficients, and insulating materials with low electrical conductivity have high Seebeck coefficients. The exchange counterbalance relationship between the Seebeck coefficient and the electric conductivity is a great limitation in increasing the power factor.

도 1a 내지 도 1c는 열전소재의 성능지수 ZT를 향상시키기 위해 본 발명에 적용되는 열전소재의 미세 구조를 도시하는 도면이다.1A to 1C are diagrams showing the microstructure of a thermoelectric material applied to the present invention to improve the performance index ZT of the thermoelectric material.

열전소재의 성능지수 ZT를 향상시키기 위하여, 초격자 박막(superlattice thin film), 나노 와이어, 양자점(quantum dot) 등의 나노 구조를 형성하여 양자구속 효과(quantum confinement effect)에 의해 제벡 계수를 증대시키거나, PGEC(Phonon Glass Electron Crystal) 개념에 의해 열전도도를 낮추는 시도가 이루어지고 있다.In order to improve the performance index ZT of the thermoelectric material, nanostructures such as a superlattice thin film, a nanowire, and a quantum dot are formed to increase a Seebeck coefficient by a quantum confinement effect Or an attempt is made to lower the thermal conductivity by the concept of Phonon Glass Electron Crystal (PGEC).

첫 번째, 양자 구속 효과는 나노 구조에 의하여 재료 내의 운반자의 에너지의 상태밀도(density of states: DOS)를 크게 하여 유효 질량을 증대시켜 제벡 계수를 상승시키는 개념이다. 이때 전기 전도도와 제벡 계수의 상관관계가 붕괴되어 제벡 계수가 증가하여도 전기 전도도는 크게 변화시키지 않는다.First, the quantum confinement effect is a concept of increasing the density of states (DOS) of carriers in the material by the nanostructure and increasing the effective mass and raising the Seebeck coefficient. At this time, the correlation between the electrical conductivity and the Seebeck coefficient collapses and the electrical conductivity does not change much even if the Seebeck coefficient is increased.

두 번째, PGEC 개념은 열전달을 담당하는 포논(phonon)의 움직임은 차단하고 전하 운반자 전자(charge carrier electron)의 이동은 방해하지 않게 하여 전기 전도도의 저하 없이 열전도도만을 저감하는 개념이다. 즉, 열전소재의 고온 측면에서 저온 측면으로 열을 전달시키는 포논과 전하 운반자 전자 중에서, 포논의 진행만 장벽에 부딪쳐서(포논 스캐터링, phonon scattering) 방해되고, 전하 운반자 전자는 막힘 없이 진행시킨다. 따라서, 포논 스캐터링에 의해서 열전도도는 저감되지만, 전하 운반자 전자에 의한 전기 전도도는 저감되지 않는 효과를 가질 수 있다.Second, the concept of PGEC is a concept that blocks the movement of phonons responsible for heat transfer and does not interfere with the movement of charge carrier electrons, thereby reducing the thermal conductivity without lowering the electrical conductivity. That is, among the phonons and the charge carrier electrons that transfer heat from the high temperature side to the low temperature side of the thermoelectric material, the progress of the phonon is hindered by phonon scattering (phonon scattering), and the charge carrier electrons are advanced without clogging. Therefore, although the thermal conductivity is reduced by phonon scattering, the electric conductivity by the charge carrier electrons can be reduced.

이러한 기술들에 대해서 구체적으로 열전소재 미세구조의 도면을 참조하여 설명한다.These techniques are specifically described with reference to the drawings of the thermoelectric material microstructure.

도 1a는 나노 복합체형 열전소재(10)의 미세구조를 도시하는 도면이다. 나노 복합체형 열전소재(10)에서는, 열전소재의 그레인(11)의 크기를 저감시킴으로써 ZT의 값을 향상시킬 수 있다. 그레인(11)은 20 내지 100 나노미터의 직경을 가질 수 있다.FIG. 1A is a diagram showing the microstructure of the nanocomposite body thermoelectric material 10. FIG. In the nanocomposite body thermoelectric material 10, the value of ZT can be improved by reducing the size of the grain 11 of the thermoelectric material. The grain 11 may have a diameter of 20 to 100 nanometers.

포논이 입계(grain boundary, 결정립계, 12)를 지나갈 때, 포논 스캐터링 현상이 발생되기 때문에, 그레인(11)의 크기를 저감시킬 수록 열전도도를 낮출 수 있는 효과가 발생한다. 반면, 전하 운반자 전자의 이동은 입계(12)를 지날 때 받는 영향이 상대적으로 작기 때문에, 전기 전도도의 변화는 최소화시킬 수 있다. 이에 따라, 도 1a에 도시된 바에서와 같이, 나노 복합체 구조를 가지는 열전소재에서는, PGEC 개념에 의해 열전소재의 ZT값을 향상시킬 수 있다.Since the phonon scattering phenomenon occurs when phonons pass through grain boundaries (grain boundaries) 12, the effect of lowering the thermal conductivity as the size of the grain 11 is reduced is generated. On the other hand, the transfer of the charge carrier electrons can minimize the change in the electrical conductivity since the influence of the electrons passing through the grain boundary 12 is relatively small. Accordingly, as shown in FIG. 1A, in a thermoelectric material having a nanocomposite structure, the ZT value of the thermoelectric material can be improved by the PGEC concept.

도 1b는 입계(12) 상에 소정 물질(21)의 석출을 통하여, ZT의 값을 향상시킨 석출형 열전소재(20)의 미세구조를 도시하는 도면이다.1B is a diagram showing the microstructure of the deposition type thermoelectric material 20 in which the value of ZT is improved through precipitation of a predetermined material 21 on the grain boundary 12.

입계(12) 상에 석출된 물질(21)은, 포논 스캐터링을 발생시키면서, 동시에 전기 전도도를 향상시키는 효과를 가져 전체 석출형 열전소재(20)의 ZT값을 향상시킬 수 있게 된다.The material 21 deposited on the grain boundary 12 has the effect of improving the electrical conductivity while generating phonon scattering and improving the ZT value of the entire deposition type thermoelectric material 20. [

도 1c는 공정다변화를 통한 계층 구조(hierarchical structure) 열전소재(30)의 미세구조를 도시하는 도면이다.1C is a diagram showing the microstructure of a hierarchical structure thermoelectric material 30 through process diversification.

계층 구조란, 그레인(11) 내부에 또 다른 그레인을 형성시킴으로써, 큰 그레인(11)을 통하여 큰 포논에 대한 포논 스캐터링을 유발시키고, 작은 그레인(31)을 통하여 작은 포논에 대한 포논 스캐터링을 유발시킨다. 이렇게 유발된 포논 스캐터링을 통하여 열전소재의 열전도도를 낮출 수 있다.The hierarchical structure means that another grain is formed in the grain 11 to cause phonon scattering with respect to the large phonon through the large grain 11 and phonon scattering with respect to the small phonon through the small grain 31 . The thermal conductivity of the thermoelectric material can be reduced through the induced phonon scattering.

위에서 설명한 바와 같은 미세구조 의하면, 공통적으로 열전도도를 낮추기 위한 구조에 초점이 맞추어져 있다. 이와 같이, 열전도도만을 제어하여 ZT값에 변화를 주는 방법에 있어서는, ZT값의 변화값이 미미할 수 밖에 없다는 한계가 존재한다.According to the microstructure as described above, a structure for lowering the thermal conductivity is generally focused. As described above, in the method of controlling the thermal conductivity only and changing the ZT value, there is a limit that the change value of the ZT value can only be insignificant.

PGEC 개념을 구현시키기 위해서 또 다른 구체적 방법으로, PbTe 상에 PbSeTe 층을 초격자(super lattice)로 만들거나, Bi2Te3와 Sb2Te3를 층층이 쌓아 초격자로 만들면 ZT가 매우 크게 향상될 수 있다. 하지만, 이렇게 초격자를 만드는 것은 인공적으로 박막공정을 이용해야 하므로 고가의 시설이 필요할 뿐만 아니라 아무리 박막을 두껍게 만든다 하더라도 수백 nm수준에 불과하므로 실제 열전 발전 및 냉각소자로 사용하기에는 적합하지 않다.Another concrete method for implementing the PGEC concept is to make the superlattice of the PbSeTe layer on PbTe or the superlattice of Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 to form a superlattice, . However, such a superlattice is not suitable for practical thermoelectric power generation and cooling because it requires an artificially thin film process, which is expensive and requires only a few hundred nanometers even if the thickness of the thin film is made thick.

따라서, 본 발명의 일 실시예에서 제안하는 열전소재의 미세구조는, 나노 구조를 통하여 열전도도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 전기 전도도 및 제벡 계수 또한 향상시킬 수 있는 구조를 제안한다.Therefore, the microstructure of the thermoelectric material proposed in one embodiment of the present invention proposes a structure capable of not only lowering the thermal conductivity through the nanostructure but also improving the electric conductivity and the Seebeck coefficient.

열전도도 저감의 주요 전략 중 하나는 나노구조화를 통해 열전달을 담당하는 포논을 효과적으로 산란할 수 있는 미세구조를 구현하는 것은 도 1a를 통하여 살펴본 바와 동일할 것이다. 입계(12)는 포논(phonon) 산란에 효과적인 계면으로, 입자 크기를 작게 하여 입계(12)의 밀도를 증가시키면 격자 열전도도를 저감하는 것이 가능하다. 최근 이러한 소재개발 전략으로 나노입자, 나노 와이어, 나노플레이트 등 나노 크기의 열전소재입자를 제조하는 기술이 대두되고 있는 추세이기도 하다.One of the main strategies for reducing the thermal conductivity is to realize a microstructure capable of effectively scattering the phonons responsible for heat transfer through nanostructuring as shown in FIG. 1A. The grain boundary 12 is an interface effective for phonon scattering, and it is possible to reduce the lattice thermal conductivity by decreasing the grain size and increasing the density of the grain boundary 12. In recent years, there has been a tendency for technology to manufacture nano-sized thermoelectric material particles such as nanoparticles, nanowires, and nano plates by using the material development strategy.

한편, 전기 전도도와 제벡 계수는, 상술한 바와 같이 교환상쇄관계에 있기 때문에, 두 수치를 한꺼번에 향상시키는 것은 어려운 과제이다. 제벡 계수와 전기 전도도 간의 교환상쇄관계가 나타나는 이유는, 제벡 계수와 전기 전도도 물성이 시료 벌크에서 동시에 조절하기 어렵기 때문이다. 그러나 만약 제벡 계수와 전기 전도도의 발생 채널을 이원화시킬 수 있다면 이들의 교환상쇄관계를 깰 수 있을 것이다. 즉, 전기 전도도는 시료 표면에서 나오고 제벡 계수는 벌크에서 높은 값이 주어진다면 높은 제벡 계수와 전기 전도도를 동시에 구현할 수 있는 것이다.On the other hand, since the electrical conductivity and the Seebeck coefficient are exchange-canceled as described above, it is difficult to improve both numerical values at once. The reason for the exchange-offset relationship between the Seebeck coefficient and the electrical conductivity is that the Seebeck coefficient and the electrical conductivity property are difficult to control simultaneously in the sample bulk. However, if the generation channels of the Seebeck coefficient and the electric conductivity can be biased, their exchange-offset relationship will be broken. In other words, if the electric conductivity comes out from the surface of the sample and the higher the value of the Seebeck coefficient in the bulk, the higher the Seebeck coefficient and the higher the electrical conductivity, the better.

본 발명의 일 실시예에서는 높은 제벡 계수와 전기 전도도를 동시에 구현하기 위해, 위상기하학적 부도체(Topological Insulator(TI), 이하 위상부도체라고 호칭함)를 이용하도록 제안한다. 위상부도체는 강한 스핀-오비탈 결합과 시간반전대칭성으로 인해 벌크(bulk)는 부도체인데 시료 표면은 위상적으로 변하지 않는 금속을 띄는 물질을 말한다. 즉, 전자가 시료의 표면을 통해서만 움직일 수 있다는 것을 의미하며, 이와 같이 부도체의 시료 표면이 금속성을 띄는 현상을 "Topological metallic state"라고 호칭한다. 전자의 이동이 위상부도체의 표면에 형성되는 금속층을 통한다면, 열전소재의 전기 전도도를 향상시킬 수 있을 것이다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 구체적인 열전소재의 미세구조를 참조하여 설명한다.In one embodiment of the present invention, a topological insulator (TI), hereinafter referred to as a phase insulator, is used to simultaneously realize high Seebeck coefficient and electrical conductivity. A phase insulator is a material that is bulk insulated due to strong spin-orbital bonding and time-reversal symmetry, but whose surface is not topologically stable. This means that electrons can move only through the surface of the sample, and the phenomenon that the sample surface of the non-conductive material is metallic is called a "topological metallic state". If the electrons move through the metal layer formed on the surface of the phase insulator, the electric conductivity of the thermoelectric material can be improved. Hereinafter, the microstructure of a specific thermoelectric material according to an embodiment of the present invention will be described.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의하여 형성된 이종의 위상부도체 각각에 의해서 계면이 형성된 열전소재의 미세 구조를 나타내는 개략도이다. 또한, 도 3은 도 2에 도시된 전위를 설명하기 위한 모식도이다.2 is a schematic view showing a microstructure of a thermoelectric material having an interface formed by each of different types of phase insulators formed according to an embodiment of the present invention. 3 is a schematic diagram for explaining the potential shown in Fig.

도 2에 도시된 나노 복합체 열전소재의 미세 구조는, 제 1 물질의 그레인(200, 이하 제 1 그레인이라 호칭함) 및 제 2 물질의 그레인(201, 이하 제 2 그레인이라고 호칭함)의 상분리(phase separation)을 통하여 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 구조의 제조 방법은, 이하 상세히 후술하기로 한다.The microstructure of the nanocomposite thermoelectric material shown in FIG. 2 has a phase separation (hereinafter referred to as &quot; second grain &quot;) of a first material grain (hereinafter referred to as first grain) 201 and a second material grain 201 phase separation. A method of manufacturing a microstructure according to an embodiment of the present invention will be described below in detail.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 복합체 열전소재를 이루는 제 1 물질 및 제 2 물질 중 적어도 하나는 예를 들어, Bi-Te계, Pb-Te계, Co-Sb계, Si-Ge계, 또는 Fe-Si계의 물질을 적어도 하나 포함할 수 있다. Pb-Te계의 열전소재는 Pb와 Te를 모두 포함하고 다른 원소를 포함하는 물질일 수 있다. Co-Sb계의 열전소재는 Co와 Fe 중 하나의 원소와 Sb를 포함하는 물질일 수 있다. Si-Ge계의 열전소재는 Si와 Ge를 모두 포함하는 물질일 수 있다. 이러한 물질의 좀 더 구체적인 예를 들면, Bi0 .5Sb1 .5Te3, Bi2Te3 합금, CsBi4Te6, CoSb3, PbTe 합금, Zn4Sb3, Zn4Sb3 합금, NaxCoO2, CeFe3.5Co0.5Sb12, Bi2Sr2Co2Oy, Ca3Co4O9, 또는 Si0.8Ge0.2 합금으로 이루어질 수 있다. 그러나 열전소재가 이들 물질로 한정되지는 않는다.At least one of the first material and the second material constituting the nanocomposite thermoelectric material according to an embodiment of the present invention may be at least one selected from the group consisting of Bi-Te, Pb-Te, Co-Sb, Si- And may include at least one Fe-Si-based material. The thermoelectric material of the Pb-Te system may be a material containing both Pb and Te and containing other elements. The Co-Sb thermoelectric material may be a material containing one element of Co and Fe and Sb. The thermoelectric material of the Si-Ge system may be a material containing both Si and Ge. More specific examples of such materials include Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3 , Bi 2 Te 3 alloy, CsBi 4 Te 6 , CoSb 3 , PbTe alloy, Zn 4 Sb 3 , Zn 4 Sb 3 alloy, Na x CoO 2 , CeFe 3.5 Co 0.5 Sb 12 , Bi 2 Sr 2 Co 2 O y , Ca 3 Co 4 O 9 , or Si 0.8 Ge 0.2 alloy. However, thermoelectric materials are not limited to these materials.

본 발명의 일 실시예의 제 1 및 제 2 물질 중 적어도 하나는 위상부도체를 포함할 수 있다.At least one of the first and second materials of an embodiment of the present invention may comprise a phase insulator.

본 발명의 일 실시예의 제 1 및 제 2 물질 중 적어도 하나는 에너지 갭(energy gap)이 큰 반도체를 포함할 수 있다.At least one of the first and second materials of an embodiment of the present invention may include a semiconductor having a large energy gap.

본 발명의 일 실시예에 따르는 열전소재는, 열전도도, 전기 전도도 및 제백계수 각각을 제어할 수 있다는 점에서 현저한 ZT값의 상승으로 이어질 수 있다.The thermoelectric material according to one embodiment of the present invention can lead to a significant increase in the ZT value in that it can control thermal conductivity, electrical conductivity and whitening coefficient, respectively.

첫 번째로, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재는 나노 구조를 통하여 열전도도를 낮출 수 있다. 도 1a의 나노 복합체 미세 구조에서 상술한 바와 같이, 나노 구조는 입계(12)에서 포논 스캐터링을 유발시킬 수 있기 때문에 열전도도를 낮추는데 효과적이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재는, 제 1 및 제 2 그레인 각각으로 형성된 나노 구조를 통하여 열전도도를 낮출 수 있다.First, the thermoelectric material according to an embodiment of the present invention can lower the thermal conductivity through the nanostructure. As described above in the nanocomposite microstructure of FIG. 1A, the nanostructure is effective in lowering the thermal conductivity because it can cause phonon scattering in the grain boundary 12. The thermoelectric material according to an embodiment of the present invention can lower the thermal conductivity through the nanostructure formed of the first and second grains.

두 번째로, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소재는, 위상부도체의 "Topological metallic state"를 통하여 전기 전도도를 증가시킬 수 있다. 위상부도체의 표면이라고 할 수 있는 입계(12)에서는 높은 이동도를 갖는 금속상태가 형성되기 때문에, 열전소재의 전기 전도도가 크게 증가할 수 있다.Second, the thermoelectric material according to one embodiment of the present invention can increase the electrical conductivity through the "topological metallic state" of the phase insulator. Since the metal state having high mobility is formed in the grain boundary 12, which can be called the surface of the phase insulator, the electric conductivity of the thermoelectric material can be greatly increased.

세 번째, 본 발명의 일 실시예에서는, 에너지 갭(energy gap)이 큰 물질을 시료 벌크로 사용함으로써 제벡 계수를 향상시킬 수 있다. 제벡 계수가 향상된다면, 높은 파워펙터가 기대될 수 있을 것이다. 제벡 계수는 상기 제 1 및 제 2 그레인을 각각 형성하고 있는 제 1 및 제 2 물질의 에너지 갭이 클 수록 높아지기 때문에, 상기 제 1 및 제 2 물질이 부도체로 이루어질 경우 제벡 계수 값은 향상될 것이다. 왜냐하면, 부도체가 에너지 갭이 큰 물질이기 때문이다.Third, in one embodiment of the present invention, the use of a material having a large energy gap as a sample bulk can improve the Seebeck coefficient. If the Seebeck coefficient is improved, a higher power factor can be expected. As the energy gap of the first and second materials forming the first and second grains respectively becomes larger, the Seebeck coefficient becomes higher, so that the Seebeck coefficient value will be improved when the first and second materials are made of the nonconductor. This is because an insulator is a substance having a large energy gap.

네 번재, 본 발명의 일 실시예에서는, 원자 간의 격자 부정합(misfit)이 형성된 전위(dilocation; D)가 결정립 내부와 계면(202)에서 고밀도로 형성된다. 이렇게 열전소재를 제조하게 되면 위상부도체 계면을 통한 전자의 흐름이 원활하게 되어 전기 전도도가 높아지고 미세한 결정립과 결정립 내부 및 경계면에 존재하는 전위(D)에 의해 포논(Phonon; P)이 산란되어 열전재료 성능(ZT)을 향상시킬 수 있게 된다.In one embodiment of the present invention, a dislocation (D) formed by a lattice mismatch between atoms is formed at a high density in the crystal grain and at the interface 202. When the thermoelectric material is manufactured, electrons flow smoothly through the interface of the phase insulator and the electric conductivity increases. Phonons (P) are scattered due to the dislocations (D) existing in the fine crystal grains and inside the crystal grains, The performance ZT can be improved.

이와 같은 특징을 가지는 복합체를 형성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는, 열전소재 Bi0 .5Sb1 .5Te3 모재(제 1 물질) 내에 이종의 열전소재 또는 위상부도체(제 2 물질)를 상분리하여 계면 위상보존성을 발현시킴으로써, 하기 화학식 1의 조성을 가지는 열전소재를 제공한다.To form the composite having such a characteristic, in the embodiment of the present invention, the thermoelectric material Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3 base material (the first material) of the hetero thermally non-conductive material or phase (second material) in the Is phase-separated to exhibit interfacial phase storage stability, thereby providing a thermoelectric material having a composition represented by the following formula (1).

Figure pat00002
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상기 화학식 1에서, TI는 "Topology Insulator" 즉 위상부도체 특성을 갖는 임의의 물질로써, AgSbTe2 및 Ag2Te 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. x는 TI의 몰비이다.In the above formula (1), TI is any material having a "topology insulator" or phase insulator property, and may include at least one of AgSbTe 2 and Ag 2 Te. x is the molar ratio of TI.

본 발명의 열전소재는 P형 열전 반도체일 수 있다. 즉, 이러한 열전 반도체는 정공(Hole)이 다수 캐리어(majority carrier)로 작용하는 반도체일 수 있다.The thermoelectric material of the present invention may be a P-type thermoelectric semiconductor. That is, the thermoelectric semiconductor may be a semiconductor in which a hole acts as a majority carrier.

또한, 열전소재 물질 중 어느 하나로서 금속 첨가물을 이용하여 중간체를 형성하고, 이를 소결시 용융되도록 함으로써, 원자 간의 격자 부정합(misfit)이 형성된 전위(dilocation; D)가 결정립 내부와 계면(202)에서 고밀도로 형성되도록 할 수 있다.In addition, an intermediate is formed by using a metal additive as one of the thermoelectric materials, and is melted during sintering, so that a dislocation (D) formed by a lattice misfit between atoms is formed inside the crystal grain and at the interface It can be formed at a high density.

본 발명의 일 실시예에 따르면, Te는 화학양론상의 결핍이 존재할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, Te may have a stoichiometric deficiency.

본 발명의 일 실시예에 따르면, Sb는 화학양론상의 결핍이 존재할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, Sb may have a stoichiometric deficiency.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 화학식 1의 조성으로 만들어진 화합물은 x레이 회절(x-ray diffraction) 상에서 위상부도체(TI)와 Bi0 .5Sb1 .5Te3의 이중상이 혼재되어 존재할 수 있다.According to one embodiment of the invention, the compounds made from the composition of formula 1 is x-ray diffraction (x-ray diffraction) non-conductive phase (TI) and Bi 0 .5 Sb 1 .5 may exist a dual phase of Te 3 are mixed on have.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열전소재는 이론밀도의 70% 내지 100%에 해당하는 밀도를 갖는 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, it is preferable that the thermoelectric material has a density corresponding to 70% to 100% of the theoretical density.

이하, 도 2의 미세구조를 실현하기 위한 제조 방법을 간략히 설명한다.Hereinafter, a manufacturing method for realizing the fine structure of FIG. 2 will be briefly described.

먼저, 화학식 1의 조성으로 만든 잉곳(Ingot) 원재료를 급속냉각응고(Rapid Solidification Process) 장치를 통해 급속 냉각된 리본(Ribbon)형태의 재료(중간체)로 만든다.First, an ingot raw material made of the composition of the formula (1) is made into a rapidly cooled material (intermediate) in the form of ribbons through a rapid solidification process device.

다음에, 이 리본 형태의 중간체를 가열 및 냉각이 가능한 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering) 장치를 통해 벌크 소재를 만들어서 위상부도체가 형성된 미세한 크기의 결정립을 제조할 수 있다.Next, the bulk material can be produced through a Spark Plasma Sintering apparatus capable of heating and cooling the ribbon-shaped intermediate to produce fine-sized crystal grains formed with phase insulators.

이때, 중간체인 리본 형태의 재료 제조시 용융 온도가 낮은 금속 첨가물을 추가해서 벌크 소재를 만들면 도 2에 표기된 바와 같은 원자 간의 격자 부정합(misfit)이 형성된 전위(dilocation; D)가 결정립 내부와 계면에서 고밀도로 형성된다. 즉, 전위(D)는 열전소재의 계면(202) 뿐만 아니라 결정립 내부에서도 형성된다.At this time, when a bulk material is made by adding a metal additive having a low melting temperature in the production of a ribbon-shaped material as an intermediate, a dislocation (D) in which a lattice misfit is formed as shown in FIG. And is formed at a high density. That is, the potential D is formed not only at the interface 202 of the thermoelectric material but also inside the crystal grains.

이렇게 열전소재를 제조하게 되면 위상부도체 계면을 통한 전자의 흐름이 원활하게 되어 전기 전도도가 높아지고 미세한 결정립과 결정립 내부 및 경계면에 존재하는 전위(D)에 의해 포논이 산란되어 열전재료 성능(ZT)을 향상시킬 수 있게 된다.When the thermoelectric material is manufactured, electrons flow smoothly through the phase insulator interface, and the electric conductivity increases. The phonon is scattered by the fine grains and the dislocations (D) existing at the inside of the grains and at the interface, .

여기서 전위(D) 형성을 위한 금속 첨가물은 잉곳 원재료보다 용융온도가 낮은 텔루늄(Te) 재료가 일정량 (0 내지 30중량%) 추가되는데, 이러한 금속 첨가물은 벌크(Bulk) 제작을 위한 소결 공정에서 바깥으로 배출되어 열전소재 내부의 원자배열을 혼란스럽게 해서 원자배열 내에 격자 부정합(misfit dislocation)을 형성하게 된다. 이러한 금속 첨가물은 열전소재 원재료 중에서 선택된 어느 한 물질일 수 있다.Here, a metal additive for forming dislocation (D) is added with a certain amount (0 to 30% by weight) of a tellurium (Te) material having a lower melting temperature than the ingot raw material. Such a metal additive is used in a sintering process for producing a bulk And is discharged outside to confuse the atomic arrangement inside the thermoelectric material to form a misfit dislocation in the atomic arrangement. Such a metal additive may be any one material selected from thermoelectric material raw materials.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전소재의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.4 is a flowchart showing a method of manufacturing a thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 열전소재의 제조 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a thermoelectric material according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

상술한 열전소재를 제조하기 위하여, 먼저, 열전소재 원재료를 이용하여 벌크 열전소재(예를 들어, 잉곳(Ingot))를 제조한다(S10). 이때, 원재료는 Ag, Bi, Sb, Te를 포함할 수 있다.In order to manufacture the above-mentioned thermoelectric material, first, a bulk thermoelectric material (for example, ingot) is manufactured using the raw material for thermoelectric material (S10). At this time, the raw material may include Ag, Bi, Sb, and Te.

먼저, 열전소재 재료의 조성으로 원재료를 몰비대로 칙량한 후 석영관 속으로 장입한 후 진공 밀봉시킨다.First, the raw materials are mixed in the molar ratio according to the composition of the thermoelectric material, charged into a quartz tube, and vacuum sealed.

이후, 용융로 내에 장입해서 1,000℃ 정도의 고온에서 용융시킨 후, 상온까지 냉각해서 잉곳(Ingot)을 제조하게 된다.Thereafter, it is charged into a melting furnace, melted at a high temperature of about 1,000 ° C., and cooled to room temperature to produce an ingot.

이렇게 제조된 벌크 열전소재(잉곳)를 분쇄하여 분말 형태로 제조한다(S20). 예를 들면, 잉곳을 볼 밀링(Ball milling) 공정으로 분말 형태로 만들 수 있다.The bulk thermoelectric material (ingot) thus produced is pulverized into powder form (S20). For example, the ingot can be made into a powder form by a ball milling process.

여기에 일정량의 금속 첨가물을 추가한다(S30). 이러한 금속 첨가물은 열전소재 원재료 중에서 선택된 어느 하나 또는 그 이상의 물질일 수 있다. 또한, 금속 첨가물은 잉곳보다 녹는점이 낮은 물질일 수 있다.A certain amount of metal additive is added thereto (S30). These metal additives may be any one or more of the materials selected from the thermoelectric material. Further, the metal additive may be a substance having a lower melting point than the ingot.

그러나, 아래에서 설명한 바와 같은 중간체를 형성할 때, 격자 내부 또는 계면에서 전위(D)를 형성할 수 있는 물질일 수 있다. 예를 들어, 고체 결정을 형성하기 전에 용융될 정도로 녹는점이 낮으면 이와 같이 격자 내부 또는 계면에서 전위(D)를 형성할 수 없다.However, when forming an intermediate as described below, it may be a substance capable of forming dislocation D in the lattice or at the interface. For example, if the melting point is low enough to melt before forming solid crystals, dislocation D can not be formed inside the lattice or at the interface.

금속 첨가물은 원재료 대비 20 초과 내지 25 중량%로 포함될 수 있다. 또한, 이러한 금속 첨가물은 텔루륨(Te)일 수 있다.The metal additive may be included in an amount of more than 20 to 25% by weight based on the raw material. The metal additive may also be tellurium (Te).

다음, 이와 같은 분말과 금속 첨가물이 혼합된 상태에서 용융 및 급속냉각장치를 이용하여 중간체를 형성한다(S40). 이러한 중간체는 리본 형태의 재료일 수 있다. 이러한 중간체는 열전소재에 금속 첨가물이 분산된 형태로 형성될 수 있다.Next, in the state where the powder and the metal additive are mixed, an intermediate is formed using a melting and rapid cooling apparatus (S40). Such an intermediate may be a ribbon-like material. Such an intermediate may be formed by dispersing a metal additive in a thermoelectric material.

급속냉각공정은 좁은 노즐크기를 갖는 석영관에 재료를 장입하고 유도가열시켜 용융시킨 후, 가스압력을 가해서 고속으로 회전하는 구리 회전판에 순간적으로 토출시켜 냉각 고화시킴으로써 리본형태의 입자가 만들어지게 된다.In the rapid cooling process, a material is charged into a quartz tube having a narrow nozzle size, and is melted by induction heating. Then, gas pressure is applied to the copper rotary plate which rotates at high speed and is instantaneously discharged to cool and solidify.

즉, 이러한 중간체를 형성하는 과정은, 노즐을 가지는 관에 열전소재 분말 및 금속 첨가물을 장입하는 과정, 이러한 열전소재 분말 및 금속 첨가물을 액체상태로 용융하는 과정 및 이렇게 용융된 재료를 회전판에 토출시켜 리본형태의 입자를 형성하는 과정을 포함할 수 있다.That is, the process of forming such an intermediate may include a process of charging thermoelectric material powder and a metal additive into a tube having nozzles, a process of melting such thermoelectric material powder and metal additives in a liquid state, and discharging the melted material onto a rotating plate And forming a ribbon-shaped particle.

이후, 이러한 중간체를 소결하여 열전소재를 제조한다(S50). 이때, 소결 온도는 금속 첨가물의 용융점 이상의 온도에서 이루어질 수 있다.Thereafter, the intermediate material is sintered to produce a thermoelectric material (S50). At this time, the sintering temperature may be higher than the melting point of the metal additive.

소결 시, 리본 형태의 재료는 탄소 몰드(mold)를 이용해서 스파크 플라즈마 소결법을 이용하여, 즉, 스파크 플라즈마 장치로 벌크 형태의 열전소재로 만들어지게 된다. During sintering, the ribbon-like material is made of a thermoelectric material in a bulk form using a spark plasma sintering method using a carbon mold, that is, a spark plasma device.

즉, 리본 형태의 재료는 다시 분말 상태로 만들거나 리본 형상 그대로 탄소 몰드 내에 장입한 후 가압하면서 직류전류를 흘려주게 되면 분말 입자들 사이에서 스파크 형태의 플라즈마가 발생하여 순간적으로 고온으로 가열되어 분말 입자들을 서로 연결시켜 주는 소결이 진행된다.That is, when the ribbon-shaped material is made into a powder state again or a ribbon-shaped material is charged into the carbon mold and then a DC current is supplied while being pressurized, a sparked plasma is generated between the powder particles and instantaneously heated to a high temperature, Sintering is performed.

이러한 소결 과정에서 금속 첨가물이 외부로 용출되어 전위를 형성될 수 있다. 즉, 이러한 소결 과정은 금속 첨가물이 외부로 용출되어 전위를 형성하기 위한 것일 수 있다.In such a sintering process, the metal additive may be eluted to the outside to form a dislocation. That is, this sintering process may be for the metal additive to be eluted to the outside to form a dislocation.

통상 다결정 형태로 만들어지는 열전소재는 잉곳 제조 후 볼밀링 공정으로 수 내지 수십 미크론 크기의 분말로 제조한 다음 핫프레스(Hot Press) 공정으로 제조되는 것이 일반적인 공정이다. 그러나 이러한 일반적인 공정을 이용하면 냉각속도가 느리기 때문에 벌크 소재의 결정립 크기를 줄이는데 한계가 있고 금속 첨가물을 이용한 전위(Dislocation) 형성이 어려울 수 있다.Generally, a thermoelectric material, which is usually formed in a polycrystalline form, is produced by a ball milling process after the ingot is manufactured to a powder of several to several tens of microns in size, and then is manufactured by a hot press process. However, such a general process has a limitation in reducing the grain size of the bulk material because of the slow cooling rate, and it may be difficult to form a dislocation using a metal additive.

이후, 벌크 형태의 열전소재는 원하는 형태로 절단 및 가공해서 열전 특성(제벡계수, 전기 전도도, 열전도도) 및 미세조직을 관찰하게 된다. Then, the bulk thermoelectric material is cut and processed into a desired shape to observe the thermoelectric properties (Seebeck coefficient, electrical conductivity, thermal conductivity) and microstructure.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 자세히 설명한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail.

1. Ingot 제조1. Ingot manufacturing

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 벌크 열전소재의 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 측정 스펙트럼이다. 또한, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 벌크 열전소재의 고배율 투과전자현미경(TEM) 사진이다.5 is an X-ray diffraction (XRD) measurement spectrum of a bulk thermoelectric material according to an embodiment of the present invention. 6 is a high-magnification transmission electron microscope (TEM) photograph of a bulk thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

벌크 열전소재를 제조하기 위하여, 먼저, Ag0 .2Bi0 .5Sb1 .4Te2 .9 조성비에 맞게 Ag, Bi, Sb, Te를 몰 비율대로 정량 측정하여 석영관에 넣고 진공도는 10-5 torr의 압력에서 진공 밀봉을 한다. In order to produce a bulk thermoelectric material, Ag, Bi, Sb and Te were quantitatively measured at a molar ratio in accordance with a composition ratio of Ag 0 .2 Bi 0 .5 Sb 1 .4 Te 2 .9 and put into a quartz tube. Vacuum seal at a pressure of -5 torr.

Ag2Te의 녹는점이 960℃이므로 진공 밀봉된 석영관을 전기로에 넣고 섭씨 1,050℃까지 온도를 서서히 올리고 1,050℃에서 12시간을 유지한 뒤 냉각시켜서 만든다. Since the melting point of Ag 2 Te is 960 ° C, a vacuum-sealed quartz tube is placed in an electric furnace, and the temperature is gradually raised to 1,050 ° C, maintained at 1,050 ° C for 12 hours, and cooled.

이와 같은 과정을 통하여 만들어진 벌크 열전소재(잉곳 재료)의 미세조직을 관찰해보면 도 6과 같다. The microstructure of the bulk thermoelectric material (ingot material) produced through this process is shown in FIG.

도 5는 Bi0 .5Sb1 .5Te3에 상분리된 Ag2Te 상의 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 측정결과이고, 도 6은 Bi0 .5Sb1 .5Te3에 상분리 된 Ag2Te 상의 고배율 투과전자현미경(TEM) 관찰 결과를 나타낸다.Figure 5 is a phase separation in the Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3 with Ag 2 Te on the X-ray diffraction (X-ray diffraction, XRD) phase separation and the measurement results, Fig. 6 Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3 (TEM) observation of a high-power transmission electron microscope (Ag 2 Te).

도 5 및 도 6을 참조하면, 잉곳 재료의 AgSbTe2와 Bi0 .5Sb1 .5Te3의 상이 분리된 결과를 확인할 수 있다.Even when 5 and 6, you can see the AgSbTe 2 and Bi 0 .5 Sb 1 .5 different from the result of separation Te 3 of the ingot material.

2. 벌크 열전소재 제조2. Bulk thermoelectric material manufacturing

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 중간체의 표면 SEM(scanning electron microscopy) 사진이다. 또한, 도 8은 도 7의 A 부분의 확대도이다.7 is a scanning electron microscopy (SEM) photograph of an intermediate according to an embodiment of the present invention. 8 is an enlarged view of a portion A in Fig.

Ag0 .2Bi0 .5Sb1 .4Te2 .9 재료 조성으로 제작된 잉곳 재료는 밀링 공정으로 수 내지 수십 미크론 크기로 된 분말로 제조된다.Ag 0 .2 Bi 0 .5 Sb 1 .4 Te 2 .9 The ingot material made from the material composition is made into a powder of several to several tens of microns in size by a milling process.

이후, 금속 첨가물로서 20 내지 25중량%의 텔루늄(Te) 분말을 메트릭스 조성 분말에 섞은 후, 급속냉각장치를 이용하여 중간체를 형성한다.Thereafter, 20 to 25 wt% of tellurium (Te) powder as a metal additive is mixed with the matrix composition powder, and then an intermediate is formed by using a rapid cooling device.

즉, 급속냉각장치로 리본을 만들기 위해 직경 10 내지 15mm, 높이 10mm 이상 크기로 펠렛(Pellet) 형태로 만든 다음, 직경 0.3 내지 0.4mm 정도의 노즐크기를 갖는 석영관에 넣는다.That is, pellets having a diameter of 10 to 15 mm and a height of 10 mm or more are made into a ribbon by a rapid cooling device, and then put into a quartz tube having a nozzle size of about 0.3 to 0.4 mm in diameter.

이후, 분말을 유도 가열시켜 용융시킨 후, 압력을 가해서 고속으로 회전하는 직경 300mm의 구리 회전판에 토출시켜 냉각 고화시킴으로써 금속 첨가물이 석출된 리본 형상의 중간체를 얻을 수 있다.Thereafter, the powder is melted by induction heating, and then discharged to a copper rotary plate having a diameter of 300 mm which is rotated at a high speed by applying pressure, thereby cooling and solidifying the mixture, whereby a ribbon-shaped intermediate in which metal additives are precipitated can be obtained.

이때, 회전판이 2800 내지 3200 rpm으로 회전시 약 1㎛ 내지 100㎛ 두께를 갖는 리본 형상의 소재가 얻어진다. 이러한 리본 형상의 소재는 열전소재에 금속 첨가물이 분산된 형태로 얻어지며, 급랭의 효과로 열전소재와 금속 첨가물의 크기는 수십 nm 내지 수백 nm로 형성될 수 있다.At this time, when the rotary plate is rotated at 2800 to 3200 rpm, a ribbon-shaped material having a thickness of about 1 탆 to 100 탆 is obtained. Such a ribbon-like material is obtained by dispersing a metal additive in a thermoelectric material, and a thermoelectric material and a metal additive may be formed in a size of several tens of nanometers to several hundreds of nanometers by the effect of quenching.

예를 들어, 열전 매트릭스로서 Ag0 .2Bi0 .5Sb1 .4Te2 .9 소재와 금속 첨가물로서 Te를 포함하여 급속냉각장치를 사용하여 리본 형상의 소재를 만들면, 이러한 리본 형상의 표면 형상은 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 형성될 수 있다.For example, if a ribbon-shaped material is made by using a rapid cooling apparatus including Ag 0 .2 Bi 0 .5 Sb 1 .4 Te 2 .9 as a thermoelectric matrix and Te as a metal additive, The shape can be formed as shown in Figs. 7 and 8. Fig.

Ag0 .2Bi0 .5Sb1 .4Te2 .9 용융액에 금속 첨가물, 예를 들어 Te을 과량으로 첨가하면 결정화 과정에서 공융 분해(Eutectic decomposition)가 일어나, Te이 석출된다. 도 8의 B 부분은 공융 분해에 의하여 Te가 석출된 상태를 도시하고 있다.Ag 0 .2 Bi 0 .5 Sb 1 .4 Te 2 .9 When an excessive amount of a metal additive such as Te is added to the melt, eutectic decomposition occurs in the crystallization process, and Te precipitates. Part B of Fig. 8 shows a state in which Te is precipitated by eutectic decomposition.

이때 Te가 석출되는 위치는 결정립 내에서 균일하게 분산되며, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이 수지상 면에 Te 입자들이 끼어있는 것과 같은 형상으로 나타날 수 있다. 이는 상술한 바와 같이 미스핏 전위를 고밀도로 포함하는 Bi0 .5Sb1 .5Te3/Te 계면 밀도를 증대시키기 위한 좋은 조건이 될 수 있다.At this time, the position at which Te is precipitated is uniformly dispersed in the crystal grains, and may be shaped like Te particles embedded in the resin surface as shown in FIGS. This may be a good condition for increasing the interface density of Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3 / Te containing a high density of misfit dislocations as described above.

3. 소결3. Sintering

도 9는 본 발명의 일 실시예에 의하여 소결하여 제조된 열전소재의 고배율 투과전자현미경(TEM) 사진이다.9 is a high magnification transmission electron microscope (TEM) photograph of a thermoelectric material produced by sintering according to an embodiment of the present invention.

위에서 설명한 바와 같이, 급속냉각장치를 이용하여 급속냉각 응고법을 통해 제조된 리본 형상의 중간체를 분쇄(Pulverizing)한 후, 스파크 플라즈마 신터링(Spark Plasma Sintering) 방법을 이용하여 가압 소결을 진행한다. As described above, the ribbon-shaped intermediate produced by the rapid cooling and solidification method is pulverized by using a rapid cooling apparatus, and then subjected to pressure sintering using a spark plasma sintering method.

가압 소결은 내경 10mm의 탄소 몰드에 재료를 장입하여 450 내지 500℃의 온도에서 3분간 유지한 후 공냉시킨다. 이때, 이용한 샘플의 두께는 10mm이다. The pressure sintering is carried out by charging the material into a carbon mold having an inner diameter of 10 mm, holding the material at a temperature of 450 to 500 DEG C for 3 minutes, and then air-cooling it. At this time, the thickness of the sample used is 10 mm.

가압 소결 시 열전 매트릭스, Bi0 .5Sb1 .5Te3 /Te 계면이 반정합 상태가 되기 위해 소결 온도는 금속 첨가물인 텔루륨의 녹는점 이상이 될 수 있다. When hot pressing thermal matrix, Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3 / Te In order for the interface to become semi-matched, the sintering temperature may be above the melting point of the metal additive tellurium.

예를 들어 소결 온도는 금속 첨가물의 융점 이상의 온도, 예를 들어, 융점 내지 약 (융점 + 30)℃ 이상의 온도에서 수행할 수 있다. For example, the sintering temperature may be at a temperature above the melting point of the metal additive, for example, at a temperature above the melting point to about (melting point + 30) ° C.

상압에서 텔루륨의 녹는점은 449.57oC이며, 가압 압력에 따라 녹는점은 다소 낮아지게 된다. 이는 텔루륨이 액상(Liquid Phase)으로 변한 후, Bi0 .5Sb1 .5Te3의 결정면에 따라서 결정화를 시작해야 하는 것으로 이해할 수 있다. At atmospheric pressure, the melting point of tellurium is 449.57 ° C, and the melting point is somewhat lowered under pressure. It can be understood that it is necessary to tellurium starts the crystallization according to the crystal plane of the then turned into a liquid phase (Liquid Phase), Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3.

가압 소결 시 텔루륨이 액상이므로 일정 함량은 외부로 용출될 수 있으며 이러한 가압 소결 공정에서 가해지는 압력은 약 30Mpa 이상, 예를 들어 40 내지 100 MPa의 범위에서 수행할 수 있다.Since tellurium is a liquid phase in pressure sintering, a certain amount can be eluted to the outside, and the pressure applied in the pressure sintering process can be about 30 Mpa or more, for example, in the range of 40 to 100 MPa.

이와 같은 방법에 의해 제조된 벌크 열전소재의 미세조직을 TEM으로 관찰한 결과 도 9에서 도시하는 바와 같이 결정립 계면(202)뿐만 아니라 결정립 내부에서도 전위(Dislocation)가 관찰됨을 알 수 있다. 도 9에서, 화살표는 결정립 내부에 위치하는 전위의 위치를 가리키고 있다.As a result of TEM observation of the microstructure of the bulk thermoelectric material produced by this method, dislocation was observed not only at the grain boundary interface 202 but also inside the grain as shown in FIG. In Fig. 9, arrows indicate positions of dislocations located inside the crystal grains.

4. 특성 평가 결과4. Characteristic evaluation result

도 10 내지 도 13은 각각 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 열전소재의 온도에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.FIGS. 10 to 13 are graphs showing characteristics of thermoelectric materials manufactured according to embodiments of the present invention, according to temperature. FIG.

구체적으로, 도 10 내지 도 13은 화학양론 조성의 Bi0 .5Sb1 .5Te3를 종래의 방법으로 제조한 샘플의 특성치(점선, 사각형으로 표기)와 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 열전소재의 특성치(실선, 삼각형으로 표기)를 비교하고 있다.Specifically, 10 to 13 are prepared by the embodiments of the present and the Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3 of the stoichiometric composition characteristic of the sample manufactured by the conventional method (indicated by the dashed line, squares) invention The characteristics of the thermoelectric material (solid line and triangle) are compared.

도 10 내지 도 13은 각각 특성수치(ZT), 전기 전도도, 제벡 계수 및 열전도도를 나타내고 있다. Figs. 10 to 13 show the characteristic value (ZT), the electric conductivity, the Seebeck coefficient and the thermal conductivity, respectively.

ULVAC ZEM-3를 이용하여 전기 전도도와 제벡 계수를 동시에 측정하였으며 열전도도는 ULVAC TC-9000H(Laser Flash법)로 측정된 열확산율(Thermal Diffusivity)로부터 계산하였다. The electrical conductivity and the Seebeck coefficient were measured simultaneously using ULVAC ZEM-3 and the thermal conductivity was calculated from the thermal diffusivity measured with ULVAC TC-9000H (Laser Flash method).

이러한 결과로부터 계산된 열전 성능지수 ZT 및 각 특성치를 살펴보면 50℃를 기준으로 하였을 때 제벡 계수(도 12)의 변화는 거의 없는 것으로 보인다.From the results, it can be seen that there is almost no change in the Seebeck coefficient (FIG. 12) when the thermoelectric performance index ZT and the respective characteristic values are measured at 50 ° C.

그러나, 전기 전도도(도 11)는 50℃에서 0.40에서 0.74으로 크게 증가하였으며, 이때 열전도도(도 13)는 0.93에서 0.84로 감소하였다. However, the electrical conductivity (Fig. 11) increased significantly from 0.40 to 0.74 at 50 캜, where the thermal conductivity (Fig. 13) decreased from 0.93 to 0.84.

따라서, 도 10을 참조하면, 열전소재의 성능지수인 ZT는 대략 0.9에서 1.6 수준으로 크게 향상된 결과를 얻을 수 있었다.Therefore, referring to FIG. 10, the performance index ZT of the thermoelectric material was greatly improved from 0.9 to 1.6.

그 이유는 미세조직 관찰 결과 종래기술 대비 평균 결정 입도(Grain Size)가 20미크론 수준에서 7미크론 이하로 결정립 크기가 감소하고 결정립 내부와 경계면에 형성된 전위에 의해 포논이 산란되어 열전도도를 감소시키고 Ag2Te상과 Bi0 .5Sb1 .5Te 메트릭스 결정 계면이 위상계면 효과에 의해 전도체가 되어 전자의 흐름을 원활하게 해서 전기 전도도를 향상시켜 열전성능을 향상시킨 것으로 판단된다.The reason for this is as follows: As a result of observation of microstructure, grain size decreased from 20 microns to 7 microns in average grain size compared to the prior art, phonons were scattered due to dislocations formed inside and at the interface between grains, Phase and Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te matrix interface were formed by the phase interfacial effect to improve the electric conductivity by improving the electric conductivity by smoothly flowing electrons.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.

200: 제 1 그레인 201: 제 2 그레인
202: 계면
200: first grain 201: second grain
202: Interface

Claims (12)

열전소재의 제조 방법에 있어서,
열전소재 원재료를 이용하여 벌크 열전소재를 제조하는 단계;
상기 벌크 열전소재를 분말로 제조하는 단계;
상기 분말에 상기 열전소재 원재료 중에서 선택된 금속 첨가물을 추가하는 단계;
상기 열전소재에 상기 금속 첨가물이 분산된 중간체를 형성하는 단계; 및
상기 금속 첨가물의 용융점 이상의 온도에서 소결하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전소재의 제조 방법.
A method of manufacturing a thermoelectric material,
Preparing a bulk thermoelectric material using the thermoelectric material;
Preparing the bulk thermoelectric material as a powder;
Adding a metal additive selected from the thermoelectric material to the powder;
Forming an intermediate in which the metal additive is dispersed in the thermoelectric material; And
And sintering at a temperature equal to or higher than the melting point of the metal additive.
제1항에 있어서, 상기 열전소재는,
하기 화학식 1의 조성을 가지고,
<화학식 1>
(TI)x(Bi0.5Sb1.5-xTe3-y)1-x
상기 TI는 위상기하학적 부도체(Topological Insulator)인 것을 특징으로 하는 열전소재의 제조 방법.
The thermoelectric material according to claim 1,
Having a composition represented by the following formula (1)
&Lt; Formula 1 >
(TI) x (Bi 0.5 Sb 1.5-x Te 3-y) 1-x
Wherein the TI is a topological insulator.
제2항에 있어서, 상기 열전소재는,
상기 Bi0 .5Sb1 .5- xTe3 -y 물질로 구성되는 제 1 그레인 및 상기 위상기하학적 부도체(Topological Insulator)로 구성되는 제 2 그레인을 포함하는 이중상의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 열전소재의 제조 방법.
3. The thermoelectric material according to claim 2,
Thermally, characterized in that with a double structure on the a second grain consisting of the Bi 0 .5 Sb 1 .5- x Te 3 -y first material grains and the geometric phase insulators (Topological Insulator) consisting of Method of manufacturing a material.
제2항에 있어서,
상기 위상기하학적 부도체는, AgSbTe2 및 Ag2Te 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소재의 제조 방법.
3. The method of claim 2,
The geometric phase is non-conductive, AgSbTe 2 and the method of producing a thermal transfer material comprising at least one of Ag 2 Te.
제2항에 있어서, 상기 화학식 1 중에서, 0 < x ≤ 0.4, 0 < y ≤ 0.5인 것을 특징으로 하는 열전소재의 제조 방법.The thermoelectric material of claim 2, wherein 0 <x? 0.4 and 0 <y? 0.5. 제1항에 있어서, 상기 원재료는 Ag, Bi, Sb, Te를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소재의 제조 방법.The method of manufacturing a thermoelectric material according to claim 1, wherein the raw material comprises Ag, Bi, Sb, and Te. 제1항에 있어서, 상기 금속 첨가물은 텔루륨(Te)인 것을 특징으로 하는 열전소재의 제조 방법.The method of manufacturing a thermoelectric material according to claim 1, wherein the metal additive is tellurium (Te). 제1항에 있어서, 상기 금속 첨가물은 상기 원재료 대비 20 초과 내지 25 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 열전소재의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the metal additive is present in an amount of more than 20% by weight of the raw material. 제1항에 있어서, 상기 중간체를 형성하는 단계는, 용융 및 급속냉각장치를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 열전소재의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the forming of the intermediate is performed using a melting and rapid cooling apparatus. 제9항에 있어서, 상기 중간체를 형성하는 단계는,
노즐을 가지는 관에 상기 열전소재 분말 및 상기 금속 첨가물을 장입하는 단계;
상기 열전소재 분말 및 상기 금속 첨가물을 액체상태로 용융하는 단계; 및
상기 용융된 재료를 회전판에 토출시켜 리본형태의 입자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소재의 제조 방법.
10. The method of claim 9, wherein forming the intermediate comprises:
Charging the thermoelectric material powder and the metal additive into a tube having nozzles;
Melting the thermoelectric material powder and the metal additive in a liquid state; And
And discharging the molten material onto a rotating plate to form ribbon-shaped particles.
제1항에 있어서, 상기 소결하는 단계는, 스파크 플라즈마 소결법을 이용하는 것을 특징으로 하는 열전소재의 제조 방법.The method of manufacturing a thermoelectric material according to claim 1, wherein the sintering step uses spark plasma sintering. 제1항에 있어서, 상기 소결하는 단계는, 상기 금속 첨가물이 외부로 용출되어 전위를 형성하기 위한 것을 특징으로 하는 열전소재의 제조 방법.The method of manufacturing a thermoelectric material according to claim 1, wherein the sintering step is performed so that the metal additive is eluted to the outside to form a dislocation.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110061121A (en) * 2019-03-27 2019-07-26 同济大学 A kind of preparation method of polyvinylpyrrolidone/silver/silver telluride ternary flexible compound thermal electric film

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