KR20190080425A - Composite thermoelectric material and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a composite thermoelectric material and a manufacturing method thereof. According to one embodiment, the composite thermoelectric material comprises: a matrix of a thermoelectric material; and an allotrope of carbon dispersed in the matrix. Therefore, an objective of the present invention is to provide the composite thermoelectric material having a high coefficient of performance and a technique for manufacturing the same.

Description

복합 열전 재료 및 이의 제조 방법{COMPOSITE THERMOELECTRIC MATERIAL AND PREPARATION METHOD THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite thermoelectric material,

본 개시내용은 복합 열전 재료 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a composite thermoelectric material and a method of manufacturing the same.

열전(ThermoElectric, TE) 기술은 에너지 수집 기술로, 지구 온난화를 일으키는 온실 가스를 줄이기 위한 세계적 수요에 부응하여 재생가능하고, 지속 가능한 에너지원으로 개발되고 있다.ThermoElectric (TE) technology is an energy harvesting technology that is being developed as a renewable and sustainable energy source to meet the global demand to reduce greenhouse gases that cause global warming.

열전 기술은 버려진 폐열을 활용하여 전력을 생산하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 열전 장치의 효율은 열전 재료의 성능에 의해 크게 좌우되기 때문에, 고성능 열전 재료는 폐열을 전기로 전환시켜 전력을 생성하거나 전기를 사용하여 온도 차이를 발생시켜 냉각시키는데 있어 매우 중요하다.Thermoelectric technology is expected to play an important role in generating electricity using abandoned waste heat. Since the efficiency of a thermoelectric device greatly depends on the performance of a thermoelectric material, a high-performance thermoelectric material is very important for generating electricity by converting waste heat into electricity or generating a temperature difference using electricity.

열전 재료의 성능은 무차원(dimensionless)의 성능 지수(figure of merit)인 ZT 값에 의해 결정된다. 그러나 높은 ZT 값을 가지는 열전 재료를 제조하는 것에 많은 어려움이 있다.The performance of the thermoelectric material is determined by the ZT value, which is a dimensionless figure of merit. However, there are many difficulties in manufacturing a thermoelectric material having a high ZT value.

성능 계수는 전기 전도도와 제벡 계수의 제곱을 곱한 파워 팩터에 온도를 곱한 후 열 전도도로 나눈 값으로 정의된다. 여기서 전기 전도도와 제벡 계수는 캐리어 농도에 따라 반비례 관계를 가지기 때문에 성능 계수를 높이는 것에 어려움이 있다.The performance factor is defined as the power factor times the square of the electrical conductivity and the square of the Seebeck coefficient times the temperature divided by the thermal conductivity. Here, since the electric conductivity and the Seebeck coefficient are in inverse proportion to the carrier concentration, it is difficult to increase the coefficient of performance.

이러한 이유로 성능 계수는 오랜 기간 동안 1의 한계를 가지는 것으로 여겨 졌다. 하지만 최근 연구를 통해 열 전도도를 낮춤으로써 1을 능가하는 성능 계수를 가지는 열전 재료가 개발되고 있다.For this reason, the coefficient of performance was considered to have a limit of 1 over a long period of time. Recent research, however, has shown that thermoelectric materials with performance coefficients exceeding 1 are being developed by lowering the thermal conductivity.

한국 공개특허번호 10-2014-0139908 (2014. 12. 08)Korean Published Patent No. 10-2014-0139908 (Dec. 08, 2014)

이하에 기술된 실시예들은 높은 성능 계수를 가지는 복합 열전 재료 및 이를 제조하는 기술을 제공한다.The embodiments described below provide a composite thermoelectric material having a high coefficient of performance and a technique for manufacturing the same.

일 실시예에 따른 복합 열전 재료는, 열전 재료(thermoelectric material)의 매트릭스(matrix)와, 상기 매트릭스 내에 분산된 탄소 동소체(allotrope of carbon)를 포함한다.A composite thermoelectric material according to one embodiment includes a matrix of a thermoelectric material and an allotrope of carbon dispersed in the matrix.

상기 열전 재료는, Bi-Sb-Se-Te 기반 열전 재료를 포함할 수 있다.The thermoelectric material may include a Bi-Sb-Se-Te based thermoelectric material.

상기 Bi-Sb-Se-Te 기반 열전 재료는, 하기의 화학식 1로 이루어진 물질을 포함할 수 있다.The Bi-Sb-Se-Te based thermoelectric material may include a material having the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Bi2-aSbaSe3-bTeb (0≤a≤2, 0≤b≤3) Bi 2-a Sb a Se 3-b Te b (0? A? 2, 0? B? 3 )

상기 탄소 동소체는, 그래핀(graphene) 및 탄소 나노 튜브(carbon nanotube) 중에서 선택될 수 있다.The carbon isotope may be selected from graphene and carbon nanotubes.

상기 그래핀은, 테이프로 떼어낸 그래핀, CVD(Chemical Vapor Deposition) 성장된 그래핀, 허머스(Hummer's) 방법으로 제조된 그래핀 옥사이드 및 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)를 포함할 수 있고, 상기 탄소 나노 튜브는, 단일벽 탄소 나노 튜브, 이중벽 탄소 나노 튜브 및 다중벽 탄소 나노 튜브를 포함할 수 있다.The graphene may include graphene peeled off by tape, graphene grown by CVD (Chemical Vapor Deposition), graphene oxide produced by Hummer's method, and reduced graphene oxide The carbon nanotubes may include single wall carbon nanotubes, double wall carbon nanotubes, and multiwall carbon nanotubes.

상기 탄소 동소체는 상기 복합 열전 재료에, 복합 열전 재료의 전체 부피를 기준으로 하여, 10 부피 백분율(vol %) 이하로, 바람직하게는 0.1 vol% 내지 0.8 vol%의 양으로, 가장 바람직하게는 0.4 vol%의 양으로 포함될 수 있다.The carbon isotope is added to the composite thermoelectric material in an amount of 10 vol% or less, preferably 0.1 vol% to 0.8 vol%, and most preferably 0.4 vol% or less, based on the total volume of the composite thermoelectric material. vol%. < / RTI >

상기 복합 열전 재료의 그레인 크기(grain size)는 상기 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료(pristine thermoelectric material)의 그레인 크기에 비하여 작을 수 있다.The grain size of the composite thermoelectric material may be smaller than the grain size of the pristine thermoelectric material not containing the carbon isotope.

상기 복합 열전 재료는, 상기 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 높은 홀 캐리어 이동도(hole carrier mobility)를 가질 수 있다.The composite thermoelectric material may have a higher hole carrier mobility than the pristine thermoelectric material that does not include the carbon isotope.

상기 복합 열전 재료는, 상기 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 높은 성능 계수(ZT)를 가질 수 있다.The composite thermoelectric material may have a higher coefficient of performance (ZT) than a pristine thermoelectric material that does not include the carbon isotope.

일 실시예에 따른 복합 열전 재료 제조 방법은, 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 제공하는 단계와, 상기 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 탄소 동소체 파우더와 혼합(mix)하여 혼합 파우더를 생성하는 단계와, 상기 혼합 파우더를 성형하여 리본(ribbon)을 형성하는 단계와, 상기 리본을 분쇄(pulverize)하는 단계와, 상기 분쇄된 리본을 소결하여 탄소 동소체가 분산된 열전 재료의 매트릭스를 생성하는 단계를 포함한다.A method of making a composite thermoelectric material according to an embodiment includes the steps of providing a pulverized thermoelectric material, mixing the pulverized thermoelectric material with an isotropic carbon powder to produce a mixed powder, Forming a ribbon of the mixed powder to form a ribbon; pulverizing the ribbon; and sintering the pulverized ribbon to produce a matrix of thermoelectric materials in which the carbon isotope is dispersed do.

상기 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 제공하는 단계는, 열전 재료를 구성하는 원소 물질을 출발 물질로 사용하여 열전 재료의 잉곳(ingot)을 생성하는 단계와, 상기 열전 재료의 잉곳을 분쇄(pulverize)하는 단계를 포함할 수 있다.The step of providing the pulverized thermoelectric material includes the steps of generating an ingot of a thermoelectric material by using an element material constituting the thermoelectric material as a starting material and pulverizing the ingot of the thermoelectric material, .

상기 탄소 동소체는 그래핀 및 탄소 나노 튜브 중에서 선택될 수 있다.The carbon isotope may be selected from graphene and carbon nanotubes.

상기 리본을 형성하는 단계는, 급속 고화법(rapid solidification method)을 이용하여 수행되는 것일 수 있다.The step of forming the ribbon may be performed using a rapid solidification method.

상기 급속 고화법은, 용융 스피닝법(melt spinning method), 가스원자화법(gas atomization method), 플라즈마 증착법(plasma deposition method), 원심 분무법(centrifugal atomization method) 및 스플랫 ?치법(splat quenching method)으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The rapid solidification method can be performed by a melt spinning method, a gas atomization method, a plasma deposition method, a centrifugal atomization method, and a splat quenching method Can be selected from the group consisting of.

상기 리본을 형성하는 단계는 용융 스피닝법을 이용해 수행되고, 상기 용융 스피닝법은, 상기 혼합 파우더를 용융시키는(melt) 단계와, 용융된 혼합 파우더를 냉각(cooling)시키는 단계를 포함할 수 있다.The step of forming the ribbon is performed using a melt spinning method, and the melt spinning method may include a step of melting the mixed powder and a step of cooling the molten mixed powder.

상기 냉각시키는 단계는, 105K/sec 내지 107K/sec의 냉각률(cooling rate)로 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.The cooling step may include cooling to a cooling rate of 10 < 5 > K / sec to 10 < 7 > K / sec.

상기 리본을 분쇄하는 단계는, 건식 분쇄 방법을 이용하여 상기 리본을 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.The step of pulverizing the ribbon may include pulverizing the ribbon using a dry grinding method.

상기 건식 분쇄는, 볼 밀링(ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling), 고에너지 밀링(high energy milling), 제트 밀링(zet milling) 및 막자 사발 분쇄로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The dry milling may be selected from the group consisting of ball milling, attrition milling, high energy milling, zet milling and mortar milling.

상기 소결은, 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 또는 핫프레스 소결(hot press sintering)을 포함할 수 있다.The sintering may include spark plasma sintering or hot press sintering.

상기 매트릭스를 생성하는 단계는, 300℃ 내지 800℃의 온도 조건, 1Pa 내지 100Pa의 압력 조건 및 진공 조건 중 적어도 하나의 조건 하에서 1분 내지 10분 동안 상기 분쇄된 리본을 소결하는 단계를 포함할 수 있다.The step of producing the matrix may comprise sintering the pulverized ribbon for 1 to 10 minutes under at least one of a temperature condition of 300 ° C to 800 ° C, a pressure condition of 1 Pa to 100 Pa and a vacuum condition have.

도 1은 일 실시예에 따른 복합 열전 재료의 제조 방법의 예를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 용융 스피닝(melt spinning) 방법의 예를 나타낸다.
도 3a는 도 2에 도시된 리본 접촉 표면의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지의 예를 나타낸다.
도 3b는 도 2에 도시된 리본 자유 표면의 SEM이미지의 예를 나타낸다.
도 3c는 도 2에 도시된 리본에 분산된 환원된 그래핀 옥사이드(RGO)의 SEM 이미지의 예를 나타낸다.
도 4a는 탄소 동소체가 포함되지 않은 열전 재료 펠릿의 파단면(fracture surface)의 SEM 이미지의 예를 나타낸다.
도 4b는 0.1 부피 백분율의 RGO가 포함된 복합 열전 재료 펠릿의 파단면의 SEM 이미지의 예를 나타낸다.
도 4c는 0.4 부피 백분율의 RGO가 포함된 복합 열전 재료 펠릿의 파단면의 SEM 이미지의 예를 나타낸다.
도 4d는 0.8부피 백분율의 RGO가 포함된 복합 열전 재료 펠릿의 파단면의 SEM 이미지의 예를 나타낸다.
도 5는 복합 열전 재료의 스파크 플라즈마 소결 방향에 수직한 방향으로 수행된 XRD(X-Ray Diffraction) 패턴의 예를 나타낸다.
도 6a는 탄소 동소체에 라만 스펙트로스코피(Raman spectroscopy)를 수행한 결과의 예를 나타낸다.
도 6b는 복합 열전 재료에 라만 스펙트로스코피를 수행한 결과의 예를 나타낸다.
도 7a는 탄소 동소체 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 전기 전도도의 온도 의존성의 예를 나타낸다.
도 7b는 탄소 동소체 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 캐리어 농도 및 이동도의 변화의 예를 나타낸다.
도 7c는 탄소 동소체 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 제벡 계수(Sebeck Coefficient)의 온도 의존성의 예를 나타낸다.
도 7d는 탄소 동소체 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 파워 팩터(Power Factor)의 온도 의존성의 예를 나타낸다.
도 8a는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 열 전도도의 온도 의존성을 나타낸다.
도 8b는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 격자 열 전도도의 온도 의존성을 나타낸다.
도 8c는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 성능 계수의 온도 의존성을 나타낸다.
Fig. 1 shows an example of a method for producing a composite thermoelectric material according to one embodiment.
Fig. 2 shows an example of the melt spinning method shown in Fig.
FIG. 3A shows an example of a scanning electron microscope (SEM) image of the ribbon contact surface shown in FIG.
FIG. 3B shows an example of a SEM image of the ribbon free surface shown in FIG.
Figure 3C shows an example of a SEM image of reduced graphene oxide (RGO) dispersed in the ribbon shown in Figure 2.
4A shows an example of a SEM image of a fracture surface of a thermoelectric material pellet not containing carbon isotopes.
4B shows an example of a SEM image of a fracture surface of a composite thermoelectric material pellet containing 0.1 volume percent of RGO.
4C shows an example of a SEM image of the fracture surface of a composite thermoelectric material pellet containing 0.4 volume percent of RGO.
Figure 4d shows an example of a SEM image of the fracture surface of a composite thermoelectric material pellet containing 0.8 volume percent RGO.
5 shows an example of an X-ray diffraction (XRD) pattern performed in a direction perpendicular to the spark plasma sintering direction of the composite thermoelectric material.
FIG. 6A shows an example of a result of performing Raman spectroscopy on a carbon isotope.
FIG. 6B shows an example of the result of performing Raman spectroscopy on the composite thermoelectric material.
7a shows an example of the temperature dependence of the electrical conductivity of the composite thermoelectric material according to the carbon isotope volume percentage.
7B shows an example of the change in carrier concentration and mobility of the composite thermoelectric material according to the carbon isotope volume percentage.
FIG. 7C shows an example of the temperature dependence of the Seebeck coefficient of the composite thermoelectric material according to the percentage of the carbon isotope volume.
7d shows an example of the temperature dependence of the power factor of the composite thermoelectric material according to the carbon isotope volume percentage.
8a shows the temperature dependence of the thermal conductivity of the composite thermoelectric material according to the volume percentage of the carbon isotope.
Figure 8b shows the temperature dependence of the lattice thermal conductivity of the composite thermoelectric material according to the volume percentage of the carbon isotope.
Figure 8c shows the temperature dependence of the coefficient of performance of the composite thermoelectric material according to the volume percentage of the carbon isotope.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.It is to be understood that the specific structural or functional descriptions of embodiments of the present invention disclosed herein are presented for the purpose of describing embodiments only in accordance with the concepts of the present invention, May be embodied in various forms and are not limited to the embodiments described herein.

본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Embodiments in accordance with the concepts of the present invention are capable of various modifications and may take various forms, so that the embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. However, it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the specific disclosure forms, but includes changes, equivalents, or alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.The terms first, second, or the like may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms may be named for the purpose of distinguishing one element from another, for example without departing from the scope of the right according to the concept of the present invention, the first element being referred to as the second element, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Expressions that describe the relationship between components, for example, "between" and "immediately" or "directly adjacent to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ", or" having ", and the like, are used to specify one or more of the features, numbers, steps, operations, elements, But do not preclude the presence or addition of steps, operations, elements, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning of the context in the relevant art and, unless explicitly defined herein, are to be interpreted as ideal or overly formal Do not.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. Like reference symbols in the drawings denote like elements.

도 1은 일 실시예에 따른 복합 열전 재료의 제조 방법의 예를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 용융 스피닝(melt spinning) 방법의 예를 나타낸다.Fig. 1 shows an example of a method for producing a composite thermoelectric material according to one embodiment, and Fig. 2 shows an example of a melt spinning method shown in Fig.

도 1 및 도 2를 참조하면, 복합 열전 재료는 Bi(비스무트)-Te(텔루륨) 기반의 열전 재료를 이용하여 제조될 수 있다. 상기 열전 재료는 Bi-Sb(안티모니)-Te 기반 열전 재료를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 1 and 2, the composite thermoelectric material may be manufactured using a thermoelectric material based on Bi (bismuth) -Te (tellurium). The thermoelectric material may comprise a Bi-Sb (antimony) -Te based thermoelectric material.

상기 열전 재료는 Bi-Sb-Te-Se(셀레늄)을 포함할 수도 있다. 상기 열전 재료는, 하기 화학식 1로 표시되는 것을 포함할 수 있다:The thermoelectric material may include Bi-Sb-Te-Se (selenium). The thermoelectric material may include one represented by the following formula (1)

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Bi2 - aSbaSe3 - bTeb (0≤a≤2, 0≤b≤3)Bi 2 - a Sb a Se 3 - b Te b (0? A? 2, 0? B? 3 )

일 실시예에서, 열전 재료는 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3일 수 있다.In one embodiment, the thermoelectric material is Bi 0 . 36 Sb 1 . 64 Te 3 .

복합 열전 재료(composite thermoelectric material) 제조 방법은 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 제공하는 단계는 열전 재료를 구성하는 원소 물질을 출발물질로 하여 열전 재료의 잉곳(ingot)을 생성하는 단계와, 열전 재료의 잉곳을 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.A method of making a composite thermoelectric material may include providing a pulverized thermoelectric material. The step of providing the pulverized thermoelectric material may include the steps of producing an ingot of the thermoelectric material with the element material constituting the thermoelectric material as a starting material and pulverizing the ingot of the thermoelectric material .

열전 재료의 잉곳을 생성하기 위해서, 고순도(99.999%) 원소상 Bi, Sb, Te 그래뉼이 제조하고자 하는 열전 재료의 화학식에 맞게 계량될 수 있다. 예를 들어, Bi, Sb, Te의 양은 화학식 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3에 맞게 계량될 수 있다. To produce an ingot of thermoelectric material, a high purity (99.999%) elemental phase Bi, Sb, Te granules can be metered to the formula of the thermoelectric material to be produced. For example, the amounts of Bi, Sb and Te are expressed by the formula Bi 0 . 36 Sb 1 . 64 Te < / RTI > 3 .

준비된 원료들을 쿼츠 앰플(quartz ampule)에 로딩하고, 진공 하에서 밀봉(sealing)시킨다. 쿼츠 앰플을 1373 K에서 4시간 동안 가열한 후, 물로 급냉시켜 열전 재료의 잉곳(ingot)을 생성한다.The prepared raw materials are loaded into a quartz ampule and sealed under vacuum. The quartz ampoule is heated at 1373 K for 4 hours and then quenched with water to produce an ingot of thermoelectric material.

복합 열전 재료 제조 방법은 열전 재료의 잉곳을 분쇄(pulverize)하는 단계를 포함할 수 있다. 복합 열전 재료 제조 방법은 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 탄소 동소체 파우더와 혼합(mix)하여 혼합 파우더(10)를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 탄소 동소체는 그래핀 및 탄소 나노 튜브(carbon nanotube)를 포함할 수 있다. 그래핀은 모상 내에 확산되지 않으므로 2차상을 제조하는데 있어 유리하다.The composite thermoelectric material manufacturing method may include pulverizing the ingot of the thermoelectric material. The method of making a composite thermoelectric material may include mixing the pulverized thermoelectric material with the carbon isotope powder to produce a blended powder 10. The carbon isotope may include graphene and carbon nanotubes. The graphene does not diffuse into the parent phase, which is advantageous for the production of the secondary phase.

예를 들어, 열전 재료의 잉곳은 분쇄된 후, spex-mill을 이용하여 1시간 동안 환원된 그래핀 옥사이드(Reduced Graphene Oxide, RGO) 나노파우더와 혼합(mix)되어 혼합 파우더(10)가 생성될 수 있다.For example, after the ingot of the thermoelectric material is pulverized, it is mixed with the reduced powdered nano powder (RGO) for 1 hour by using a spex-mill to produce a mixed powder 10 .

복합 열전 재료 제조 방법은 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 탄소 동소체 파우더와 혼합(mix)하여 혼합 파우더를 생성하는 단계와, 혼합 파우더를 성형하여 리본(ribbon)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The method for manufacturing a composite thermoelectric material may include mixing powdered pulverized thermoelectric material with an isotropic carbon powder to produce a mixed powder, and molding the mixed powder to form a ribbon.

리본(50)을 형성하는 단계는 급속 고화법(rapid solidification method)을 이용하여 수행될 수 있다. 급속 고화법에 따라 혼합 파우더를 성형하여 리본을 형성하는 단계는 리본 형태 외에, 다양한 형상의 입자를 형성할 수 있다. 예를 들어, 급속 고화법을 이용하여 혼합 파우더를 성형하여 구형의 입자를 형성할 수도 있다.The step of forming the ribbons 50 may be performed using a rapid solidification method. The step of forming the ribbon by molding the mixed powder according to the rapid solidification method can form particles of various shapes in addition to the ribbon shape. For example, spherical particles may be formed by molding a mixed powder using a rapid solidification method.

급속 고화법은 용융 스피닝법(melt spinning method), 가스원자화법(gas atomization method), 플라즈마 증착법(plasma deposition method), 원심 분무법(centrifugal atomization method) 및 스플랫 ?치법(splat quenching method)로 이루어진 그룹에서 선택된 것일 수 있다. 예를 들어, 급속 고화법은 용융 스피닝법일 수 있다.The rapid solidification method includes a group consisting of a melt spinning method, a gas atomization method, a plasma deposition method, a centrifugal atomization method, and a splat quenching method ≪ / RTI > For example, rapid solidification can be a melt spinning process.

리본을 형성하는 단계는 용융 스피닝법을 이용해 수행되고, 용융 스피닝법은 혼합 파우더를 용융시키는(melt) 단계와, 용융된 혼합 파우더를 냉각(cooling)시키는 단계를 포함할 수 있다.The step of forming the ribbon is performed by using the melt spinning method, and the melt spinning method may include a step of melting the mixed powder and a step of cooling the molten mixed powder.

리본(50)을 형성하는 단계는 혼합 파우더(10)를 냉간 성형하는 것에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 혼합 파우더(10)를 유압 프레스(hydraulic press)로 냉간 압축(cold compacted)한 후, 0.4mm 직경의 노즐을 가지는 흑연 몰드(graphite mold, 20)에 주입할 수 있다.The step of forming the ribbons 50 may be performed by cold-molding the mixed powder 10. For example, the mixed powder 10 may be cold compacted with a hydraulic press and then injected into a graphite mold 20 having a nozzle of 0.4 mm diameter.

흑연 몰드(20)에 주입된 혼합 파우더(10)는 나노 구조화(nanostructuring) 및 RGO와 BST의 균일한 혼합물(homogeneous mixture)을 형성하기 위하여 용융 스피닝될 수 있다.The blended powder 10 injected into the graphite mold 20 can be melt spinned to form a homogeneous mixture of nanostructuring and RGO and BST.

예를 들어, 용융 스피닝 처리에서 Cu(구리) 휠(wheel 또는 롤러(roller), 40)은 1000 rpm으로 회전되고, 냉간 압축된 파우더는 인덕션(30)에 의해 용융될 수 있다. 용융 스피닝 처리에 의해서 리본(50)이 형성될 수 있다.For example, in a melt spinning process, a Cu (copper) wheel (wheel or roller) 40 is rotated at 1000 rpm and the cold compacted powder can be melted by the induction 30. The ribbon 50 can be formed by melt spinning processing.

리본(50)은 접촉 표면(contact surface)에서 비정질 구조(amorphous structure)를 보이고, 자유 표면(free surface)에서 결정질 나노구조(crystalline nanostructure)를 보일 수 있다. 결정질 나노 구조는 200 내지 300 nm폭을 가질 수 있다. 접촉 표면은 구리 휠(40)과 접촉되는 표면을 의미할 수 있고, 자유 표면은 접촉 표면의 반대쪽 표면을 의미할 수 있다.The ribbon 50 exhibits an amorphous structure at the contact surface and a crystalline nanostructure at the free surface. The crystalline nanostructure may have a width of 200 to 300 nm. The contact surface may refer to the surface in contact with the copper wheel 40, and the free surface may refer to the opposite surface of the contact surface.

용융된 혼합 파우더(10)는 냉각되어 리본(50)을 형성할 수 있다. 용융된 혼합 파우더(10)를 냉각시키는 단계는 105K/sec 내지 107K/sec의 냉각률(cooling rate)로 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.The molten mixed powder 10 can be cooled to form the ribbon 50. [ The step of cooling the molten mixed powder 10 may include cooling to a cooling rate of 10 5 K / sec to 10 7 K / sec.

복합 열전 재료 제조 방법은 리본을 분쇄(pulverize)하는 단계와, 상기 분쇄된 리본을 소결하여 탄소 동소체가 분산된 열전 재료의 매트릭스를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.The method of making a composite thermoelectric material may include pulverizing the ribbon and sintering the pulverized ribbon to produce a matrix of thermoelectric materials in which the carbon isotope is dispersed.

상기 리본을 분쇄하는 단계는 건식 분쇄 방법을 이용하는 단계를 포함할 수 있다. 건식 분쇄 방법은 볼 밀링(ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling), 고에너지 밀링(high energy milling), 제트 밀링(zet milling) 및 막자 사발 분쇄로 이루어진 그룹에서 선택된 것일 수 있다. 예를 들어 리본(50)은 막자 사발 및 막자를 이용하여 분쇄될 수 있다.The step of pulverizing the ribbon may comprise using a dry grinding method. The dry grinding method may be selected from the group consisting of ball milling, attrition milling, high energy milling, zet milling and mortar milling. For example, the ribbon 50 may be pulverized using a mortar and pestle.

소결은 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 또는 핫프레스 소결(hot press sintering)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 소결은 스파크 플라즈마 소결일 수 있다.Sintering may include spark plasma sintering or hot press sintering. For example, sintering may be spark plasma sintering.

탄소 동소체가 분산된 열전 재료의 매트릭스를 생성하는 단계는 300℃ 내지 800℃의 온도 조건, 1Pa 내지 100Pa의 압력 조건 및 진공 조건 중 적어도 하나의 조건 하에서 1분 내지 10분 동안 상기 분쇄된 리본(50)을 소결하는 단계를 포함할 수 있다.The step of producing a matrix of the thermoelectric material in which the carbon isotope is dispersed is carried out under conditions of a temperature of 300 to 800 DEG C, a pressure condition of 1 Pa to 100 Pa and a vacuum condition for 1 minute to 10 minutes, ). ≪ / RTI >

예를 들어, 분쇄된 리본(50)은 753 K의 온도 조건, 60 MPa의 압력 조건에서 3분 동안 소결될 수 있다. 분쇄된 리본(50)은 스파크 플라즈마 소결되어 탄소 동소체가 분산된 열전 재료의 매트릭스를 포함하는 펠릿으로 형성될 수 있다. 형성된 펠릿(pellet)은 12.5 mm의 직경 및 10 mm의 크기를 가질 수 있다.For example, the pulverized ribbon 50 can be sintered for 3 minutes at a temperature condition of 753 K and a pressure of 60 MPa. The pulverized ribbon 50 may be spark plasma sintered to form a pellet comprising a matrix of thermoelectric materials in which the carbon isotope is dispersed. The formed pellets may have a diameter of 12.5 mm and a size of 10 mm.

그래핀은 소결 과정 중에 모상의 그레인 간 확산을 막아서 그레인 크기를 줄일 수 있다. 그래핀은 전하 농도를 유지하면서 이동도를 높이고, 격자 열 전도도를 낮추어 복합 열전 재료의 열전 성능을 향상시킬 수 있다.Graphene can reduce the grain size by preventing grain-to-grain diffusion during sintering. The graphene can improve the thermoelectric performance of the composite thermoelectric material by increasing the mobility and reducing the lattice thermal conductivity while maintaining the charge density.

본 명세서에 예시된 복합 열전 재료 제조 방법은 방코발트광(skutterudite), 반 호이슬러(half-Heusler) 및 PbTe와 같은 다양한 열전 재료에도 적용될 수 있다.The composite thermoelectric material manufacturing method exemplified herein can be applied to various thermoelectric materials such as skutterudite, half-Heusler, and PbTe.

도 3a는 도 2에 도시된 리본 접촉 표면의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지의 예를 나타내고, 도 3b는 도 2에 도시된 리본 자유 표면의 SEM이미지의 예를 나타내고, 도 3c는 도 2에 도시된 리본에 분산된 RGO의 SEM 이미지의 예를 나타낸다.Fig. 3A shows an example of a scanning electron microscope (SEM) image of the ribbon contact surface shown in Fig. 2, Fig. 3B shows an example of a SEM image of the ribbon free surface shown in Fig. 2, Lt; RTI ID = 0.0 > RGO < / RTI >

도 3a 내지 3c를 참조하면, 도 3a 내지 도 3c는 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3와 RGO가 혼합된 혼합 파우더로부터 생성된 리본(50)의 이미지를 나타낸다. 용융 스피닝 공정에서 용융된 열전 재료의 난류(turbulent flow)로 인하여, 열전 재료의 매트릭스에 균일하게 분산된 탄소 동소체를 포함하는 복합 열전 재료가 획득될 수 있다.Referring to Figure 3a-3c, Figure 3a to 3c are Bi 0. 36 Sb 1 . 64 < / RTI > Te 3 and RGO. Due to the turbulent flow of the melted thermoelectric material in the melt spinning process, a composite thermoelectric material comprising carbon isotope homogeneously dispersed in a matrix of thermoelectric materials can be obtained.

용융 스피닝 공정에서의 높은 냉각률(105K/sec 내지 107K/sec)로 인해서 탄소 동소체가 열전 재료의 매트릭스에 균일하게 분산될 수 있다. 높은 전하 이동도를 가지는 탄소 동소체는 열전 재료의 매트릭스로 하여금 높은 전하 이동도를 갖게 할 수 있다. 또한, 탄소 동소체와 열전재료의 결합에 의해 열전 재료와 탄소 동소체의 경계(boundary)가 증가함에 따라 포논(phonon)의 산란이 증가할 수 있다.The carbon isoterms can be uniformly dispersed in the matrix of the thermoelectric material due to the high cooling rate (10 5 K / sec to 10 7 K / sec) in the melt spinning process. A carbon isotope having a high charge mobility can cause a matrix of thermoelectric materials to have a high charge mobility. Also, as the boundary between the thermoelectric material and the carbon isotope increases due to the combination of the carbon isotope and the thermoelectric material, the scattering of the phonon may increase.

용융 스피닝 공정에 의해서 형성된 리본(50)은 접촉 표면 및 자유 표면으로 구별되는 상이한 마이크로 구조(micro structure)를 가질 수 있다. 도 3a 및 3b에 나타난 바와 같이 접촉 표면은 높은 냉각 속도로 인해 비정질 상을 가지지만, 자유 표면은 200 내지 300 nm 폭의 결정 구조를 가질 수 있다. The ribbon 50 formed by the melt spinning process may have different microstructures, distinguished by a contact surface and a free surface. As shown in FIGS. 3A and 3B, the contact surface has an amorphous phase due to the high cooling rate, but the free surface can have a crystal structure of 200 to 300 nm width.

복합 열전 재료에 분산된 탄소 동소체의 부피 백분율이 매우 낮기 때문에 도 3c에서와 같이 복합 열전 재료에 분산된 탄소 동소체를 찾는 것은 쉽지 않다. 탄소 동소체는 1 내지 5 마이크로미터 크기로, 자유 표면 상에서 드물게 발견될 수 있다. 탄소 동소체와 열전 재료가 혼합될 때, 탄소 동소체의 낮은 분자량으로 인해 열전 재료의 매트릭스에 탄소 동소체가 떠다닐 수 있다.Since the volume percentage of carbon isotope dispersed in the composite thermoelectric material is very low, it is not easy to find a carbon isotope dispersed in the composite thermoelectric material as shown in FIG. 3C. The carbon isotope is from 1 to 5 micrometers in size and can be found infrequently on a free surface. When carbon isotopes and thermoelectric materials are mixed, carbon isotopes can float in the matrix of thermoelectric materials due to the low molecular weight of the carbon isotopes.

도 4a는 탄소 동소체가 포함되지 복합 열전 재료 펠릿의 파단면(fracture surface)의 SEM 이미지의 예를 나타내고, 도 4b는 0.1 부피 백분율의 탄소 동소체가 포함된 복합 열전 재료 펠릿의 파단면의 SEM 이미지의 예를 나타내고, 도 4c는 0.4 부피 백분율의 탄소 동소체가 포함된 복합 열전 재료 펠릿의 파단면의 SEM 이미지의 예를 나타내고, 도 4d는 0.8부피 백분율의 탄소 동소체가 포함된 복합 열전 재료 펠릿의 파단면의 SEM 이미지의 예를 나타낸다.4A shows an example of a SEM image of a fracture surface of a composite thermoelectric material pellet containing a carbon isotope, and FIG. 4B shows an SEM image of a fracture surface of a composite thermoelectric material pellet containing a 0.1 vol. 4C shows an example of a SEM image of the fracture surface of a composite thermoelectric material pellet containing 0.4 volume percent carbon isotope, and FIG. 4D shows an example of a SEM image of a fracture cross section of a composite thermoelectric material pellet containing 0.8 volume percent carbon isotope ≪ / RTI >

도 4a 내지 4d를 참조하면, 복합 열전 재료는 열전 재료(thermoelectric material)의 매트릭스(matrix)와 매트릭스 내에 분산된 탄소 동소체(allotrope of carbon)를 포함한다. 열전 재료는 상기 열전 재료는 BST(Bi-Sb-Te) 기반 열전 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, BST(Bi-Sb-Te) 기반 열전 재료는 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3를 포함할 수 있다.Referring to Figures 4a to 4d, a composite thermoelectric material includes a matrix of thermoelectric material and an allotrope of carbon dispersed in a matrix. The thermoelectric material may include a thermoelectric material based on BST (Bi-Sb-Te). For example, a BST (Bi-Sb-Te) based thermoelectric material is Bi 0 . 36 Sb 1 . 64 Te 3 .

탄소 동소체는 그래핀(graphene) 및 탄소 나노 튜브(carbon nanotube)를 포함할 수 있다. 그래핀은 테이프로 떼어낸 그래핀, CVD(Chemical Vapor Deposition) 성장된 그래핀, 허머스(Hummer's) 방법으로 제조된 그래핀 옥사이드 및 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, RGO)를 포함할 수 있다. 탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노 튜브, 이중벽 탄소 나노 튜브 및 다중벽 탄소 나노 튜브를 포함할 수 있다.The carbon isotope may include graphene and carbon nanotubes. The graphene may comprise graphene stripped with a tape, CVD (Chemical Vapor Deposition) grown graphene, graphene oxide made with the Hummer's method and reduced graphene oxide (RGO). have. The carbon nanotubes may include single wall carbon nanotubes, double wall carbon nanotubes, and multiwall carbon nanotubes.

탄소 동소체는 복합 열전 재료에 10 이하의 부피 백분율(vol.%)의 함량으로 포함될 수 있다. 복합 열전 재료의 그레인 크기(grain size)는 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료(pristine thermoelectric material)의 그레인 크기에 비하여 작을 수 있다.The carbon isotope may be included in the composite thermoelectric material in a volume fraction (vol.%) Of less than 10. The grain size of the composite thermoelectric material may be smaller than the grain size of a pristine thermoelectric material that does not contain carbon isotopes.

도 4a 내지 4c는 열전 재료로 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3를 사용하고, 탄소 동소체로 RGO를 사용하여 제조된 복합 열전재료의 파단면에 관한 이미지를 나타낸다. Bi0 .36Sb1.64Te3의 매트릭스에 분산된 RGO를 포함하는 복합 열전 재료의 파단면은 Bi2Te3 기반의 다결정 물질의 전형적인 마이크로 구조를 나타내는 판 모양(plate-shape)의 그레인(grain)을 가진다.Figs. 4A to 4C are diagrams showing the relationship between Bi 0 . 36 Sb 1 . 64 Te 3 and using RGO as the carbon isotope. The fracture profile of the composite thermoelectric material containing RGO dispersed in the matrix of Bi 0 .36 Sb 1.64 Te 3 is a plate-shaped grain showing the typical microstructure of the Bi 2 Te 3 -based polycrystalline material, .

RGO 가 결합된 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3의 그레인 크기는 RGO가 결합되지 않은 프리스틴(pristine) Bi0 . 36Sb1 . 64Te3의 그레인 크기에 비하여 더 작을 수 있다. RGO가 결합된 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3의 평균 그레인 크기는 RGO의 볼륨 백분율이 0 vol.%, 0.1 vol.%, 0.4 vol.%, 0.8 vol.%로 증가함에 따라, 29.4 um, 25.1 um, 20.1 um 19.7um로 감소할 수 있다. 그레인 크기는 10 개 이상의 그레인들의 크기를 평균하여 측정될 수 있다.Bi 0 combined with RGO . 36 Sb 1 . The grain size of 64 Te 3 is the pristine Bi 0 . 36 Sb 1 . 64 Te 3 grain size. Bi 0 combined with RGO . 36 Sb 1 . The average grain size of 64 Te 3 decreased to 29.4 μm, 25.1 μm and 20.1 μm 19.7 μm as the volume percentages of RGO increased to 0 vol.%, 0.1 vol.%, 0.4 vol.% And 0.8 vol.%, Respectively . The grain size can be measured by averaging the sizes of ten or more grains.

즉, RGO가 포함된 복합 열전 재료가 RGO가 포함되지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 더 작은 그레인 크기를 가지고, RGO의 비율을 조절하여 복합 열전 재료의 그레인 크기가 제어될 수 있다.That is, the composite thermoelectric material containing RGO has a smaller grain size than the Pristine thermoelectric material not including RGO, and the grain size of the composite thermoelectric material can be controlled by controlling the ratio of RGO.

그레인 사이즈가 작아지면, 그레인 경계(grain boundary)에서의 산란이 증가되어, 격자 열 전도도(lattice thermal conductivity, klat)가 낮아질 수 있다.As the grain size decreases, the scattering at the grain boundary increases, and the lattice thermal conductivity (k lat ) can be lowered.

도 5는 복합 열전 재료의 스파크 플라즈마 소결 방향에 수직한 방향으로 수행된 XRD(X-Ray Diffraction) 패턴의 예를 나타낸다.5 shows an example of an X-ray diffraction (XRD) pattern performed in a direction perpendicular to the spark plasma sintering direction of the composite thermoelectric material.

도 5를 참조하면, Bi0 . 36Sb1 . 64Te3의 XRD 패턴은 불순물 피크가 없는 능면체 구조(rhombohedral structure)의 Sb2Te3가 보이는 기본 회절 피크들을 나타낼 수 있다. XRD 샘플의 이방성 정도(degree of anisotropy)는 015 플레인의 피크 강도(peak intensity)에 대한 006 플레인의 피크 강도의 비(I006/I015)로 계산될 수 있다. 계산된 이방성 정도는 0.04 내지 0.06의 값을 가질 수 있고 모든 복합 열전 재료들은 작은 이방성을 가질 수 있다.Referring to FIG. 5, Bi 0 . 36 Sb 1 . The XRD pattern of 64 Te 3 can represent the fundamental diffraction peaks of Sb 2 Te 3 of a rhombohedral structure with no impurity peak. The degree of anisotropy of the XRD sample can be calculated as the ratio of the peak intensity of the 006 plane to the peak intensity of the 015 plane (I 006 / I 015 ). The calculated degree of anisotropy may have a value of 0.04 to 0.06 and all the composite thermoelectric materials may have a small anisotropy.

RGO의 부피 백분율에 따라 이방성 정도가 크게 달라지지 않는 것으로 보아, RGO의 부가가 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3의 결정구조를 거의 변화시키지 않음을 알 수 있다.It is seen that in accordance with the volume percentage of RGO unless anisotropic degree is very different, the addition of RGO Bi 0. 36 Sb 1 . It can be seen that does not substantially change the crystalline structure of 64 Te 3.

도 6a는 탄소 동소체에 라만 스펙트로스코피(Raman spectroscopy)를 수행한 결과의 예를 나타내고, 도 6b는 복합 열전 재료에 라만 스펙트로스코피를 수행한 결과의 예를 나타낸다.FIG. 6A shows an example of a result of Raman spectroscopy performed on a carbon isotope, and FIG. 6B shows an example of a result of Raman spectroscopy performed on a composite thermoelectric material.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 탄소 동소체 및 복합 열전 재료의 결정도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 탄소 동소체는 RGO이고, 복합 열전 재료는, RGO가 분산된 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3 매트릭스일 수 있다.6A and 6B, the crystallinity of the carbon isotope and the composite thermoelectric material can be measured. For example, the carbon isotope is RGO and the composite thermoelectric material is Bi 0 . 36 Sb 1 . 64 Te 3 matrix.

도 6a 및 도 6b의 라만 스펙트로스코피 결과는 탄소 기반 재료의 전형적인 피크들을 나타낼 수 있다. G 피크(~1350 cm- 1)와 D 피크(~1600 cm- 1)들은 각각 흑연(graphite) 구조와 결함 탄소(defective carbon)으로부터 유래될 수 있다. The Raman spectroscopy results of Figures 6a and 6b can represent typical peaks of carbon based materials. G peak (~ 1350 cm - 1) and the D peak (~ 1600 cm - 1) can be derived from each of the graphite (graphite) structure and a carbon defect (defective carbon).

RGO 및 RGO가 분산된 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3 매트릭스의 IG/ID 값은 각각 1.06 및 1.16을 가질 수 있다. 용융 스피닝 공정에서의 가열 과정에서 RGO가 분산된 Bi0.36Sb1.64Te3 매트릭스의 결정도가 향상될 수 있다. 결정도의 향상은 전기 전도도(electrical conductivity, σ)의 증가를 가져올 수 있다.Bi 0 in which RGO and RGO are dispersed . 36 Sb 1 . The I G / I D values of the 64 Te 3 matrix can have 1.06 and 1.16, respectively. The crystallinity of the Bi 0.36 Sb 1.64 Te 3 matrix in which the RGO is dispersed in the heating process in the melt spinning process can be improved. The improvement of the crystallinity can lead to an increase in electrical conductivity (σ).

도 7a는 탄소 동소체 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 전기 전도도의 온도 의존성의 예를 나타낸다.7a shows an example of the temperature dependence of the electrical conductivity of the composite thermoelectric material according to the carbon isotope volume percentage.

도 7a를 참조하면, 열전 재료의 성능은 무차원의(dimensionless) 성능 계수 ZT에 의해 결정되는데 ZT는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 7A, the performance of the thermoelectric material is determined by a dimensionless coefficient of performance ZT. ZT can be expressed by Equation (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, σ는 전기 전도도를 나타내고, S는 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 나타내고, T는 절대온도를 나타내고, k는 열 전도도를 나타낸다.Where S denotes the electrical conductivity, S denotes the Seebeck coefficient, T denotes the absolute temperature, and k denotes the thermal conductivity.

또한, 파워 팩터 PF는 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.Further, the power factor PF can be defined as in Equation (2).

Figure pat00002
Figure pat00002

우수한 열전 재료를 만들기 위해서는 높은 전기 전도도 및 제벡 계수를 가지고, 낮은 열 전도도를 가질 수 있어야 한다. 그러나 열전 재료의 전기 전도도와 제벡 계수가 캐리어 농도와 반비례 관계를 가지기 때문에, 열전 재료의 파워 팩터를 개선시키는 것은 어려울 수 있다.In order to produce good thermoelectric materials, it should be possible to have low thermal conductivity with high electrical conductivity and Seebeck coefficient. However, since the electric conductivity and the Seebeck coefficient of the thermoelectric material have an inverse relationship with the carrier concentration, it may be difficult to improve the power factor of the thermoelectric material.

열 전도도(k)는 수학식 3과 같이 격자 열 전도도 klat 및 전자 열전도도 kel의 합으로 결정된다. 전자 열전도도 Kel은 수학식 4와 같이 Wiedemann-Franz 법칙에 의해 계산될 수 있다.The thermal conductivity (k) is determined by the sum of the lattice thermal conductivity k lat and the electronic thermal conductivity k el as shown in Equation (3). The electronic thermal conductivity K el can be calculated by the Wiedemann-Franz law as shown in equation (4).

Figure pat00003
Figure pat00003

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서 L은 로렌츠 수(Lorenz number)를 의미한다. Where L is the Lorenz number.

도 7a의 그래프는 RGO의 부피 백분율이 0, 0.1, 0.4, 0.8인 경우의 전기 전도도를 나타낸다. 온도를 실온(room temperature)에서 473K까지 증가시킬 경우 반도체 거동이 악화되어 전기 전도도 σ가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 실온에서 RGO의 부피 백분율이 0, 0.1, 0.4로 증가되면서 전기 전도도는 각각 1395 S/cm, 1407 S/cm, 1580 S/cm로 증가하는 것을 확인할 수 있다.The graph of Fig. 7A shows the electrical conductivity when the volume percentage of RGO is 0, 0.1, 0.4, and 0.8. When the temperature is increased from room temperature to 473K, the semiconductor behavior deteriorates and the electrical conductivity σ decreases. The electrical conductivity increased to 1395 S / cm, 1407 S / cm and 1580 S / cm, respectively, as the volume percentage of RGO increased to 0, 0.1 and 0.4 at room temperature.

RGO의 높은 전기 전도도로 인하여 RGO가 분산된 복합 열전 재료가 RGO가 포함되지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 높은 전기 전도도를 가질 수 있다. 하지만, RGO의 부피 백분율이 높아질 경우 분산이 잘 이루어지지 않을 수 있기 때문에, RGO의 부피 백분율이 0.8인 경우 실온에서 전기 전도도가 1333 S/cm으로 약간 감소하는 것을 확인할 수 있다. Due to the high electrical conductivity of RGO, RGO - dispersed composite thermoelectric materials can have higher electrical conductivity than Pristine thermoelectric materials without RGO. However, it can be seen that when the volume percentage of RGO is high, the dispersion may not be good. Therefore, it can be seen that when the volume percentage of RGO is 0.8, the electrical conductivity is slightly reduced to 1333 S / cm at room temperature.

샘플들의 캐리어 농도는 홀 계수(Hall Coefficient) RH를 이용하여 추정될 수 있다. 홀 계수는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.The carrier concentration of the samples can be estimated using the Hall Coefficient R H. The Hall coefficient can be expressed by Equation (5).

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서 p와 e는 각각 홀 캐리어 농도(hall carrier concentration)과 전자 전하를 나타낸다. 홀 캐리어 이동도(mobility, μ)는 수학식 6를 이용하여 얻어질 수 있다.Here, p and e represent a hole carrier concentration and an electron charge, respectively. The hole carrier mobility () can be obtained using Equation (6).

Figure pat00006
Figure pat00006

도 7b는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 캐리어 농도 및 이동도의 변화의 예를 나타낸다.FIG. 7B shows an example of changes in carrier concentration and mobility of the composite thermoelectric material according to the volume percentage of the carbon isotope.

도 7b를 참조하면, 복합 열전 재료는 상기 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 높은 홀 캐리어 이동도(hole carrier mobility)를 가질 수 있다.Referring to FIG. 7B, the composite thermoelectric material may have a higher hole carrier mobility than the pristine thermoelectric material that does not include the carbon isotope.

도 7b로부터 복합 열전 재료의 캐리어 농도와 이동도를 나타낼 수 있다. 실온에서 캐리어 농도는 RGO의 부피 백분율에 따라 일정한 값을 보이지만, 이동도는 RGO의 부피 백분율이 0에서 0.4로 증가하면 223 cm2/Vs에서 253 cm2/Vs로 증가하는 것을 확인할 수 있다.7B, the carrier concentration and the mobility of the composite thermoelectric material can be shown. At room temperature, the carrier concentration is constant according to the volume percentage of RGO, but the mobility increases from 223 cm 2 / Vs to 253 cm 2 / Vs as the volume percentage of RGO increases from 0 to 0.4.

복합 열전 재료의 홀 캐리어 이동도는 높은 캐리어 이동도를 가지는 탄소 동소체와 결합됨으로써 큰 폭으로 향상될 수 있다. RGO의 부피 백분율이 0.1인 경우는 RGO가 포함되지 않은 프리스틴 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3와 비슷한 캐리어 이동도를 나타낼 수 있고, RGO 부피 백분율이 0.8인 경우는 RGO의 불량한 분산으로 인하여 프리스틴 Bi0.36Sb1.64Te3에 비하여 낮은 캐리어 이동도를 가질 수 있다.The hole carrier mobility of the composite thermoelectric material can be greatly improved by being combined with the carbon isotope having a high carrier mobility. When the volume percentage of RGO is 0.1, Pristine Bi 0 . 36 Sb 1 . 64 Te 3 and the RGO volume fraction of 0.8 may have a lower carrier mobility than Pristin Bi 0.36 Sb 1.64 Te 3 due to the poor dispersion of RGO.

온도에 따른 전기 전도도 σ(T)는 실온 내지 473K의 온도 범위에서 T-1.5의 지수 법칙을 따를 수 있는데, 이는 홀 캐리어 전송이 음향 포논 산란(acoustic phonon scattering)에 의해 지배됨을 가리킬 수 있다.The electrical conductivity σ (T) with temperature can follow the exponential rule of T -1.5 in the temperature range from room temperature to 473K, which may indicate that the hole carrier transmission is dominated by acoustic phonon scattering.

도 7c는 탄소 동소체 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 제벡 계수(Sebeck Coefficient)의 온도 의존성의 예를 나타낸다.FIG. 7C shows an example of the temperature dependence of the Seebeck coefficient of the composite thermoelectric material according to the percentage of the carbon isotope volume.

도 7c를 참조하면, RGO의 부피 백분율이 0, 0.1, 0.4, 0.8로 변화할 때 Bi0.36Sb1.64Te3의 제벡 계수의 변화를 알 수 있다. 모든 샘플에서 제백 계수가 양의 값을 가지는 것으로부터 다수(major) 캐리어가 홀임을 알 수 있다.Referring to FIG. 7C, the change in the Seebeck coefficient of Bi 0.36 Sb 1.64 Te 3 is found when the volume percentage of RGO changes to 0, 0.1, 0.4, and 0.8. It can be seen that the major carrier is a hole, since the whiteness factor has a positive value in all samples.

온도가 증가함에 따라 제벡 계수가 증가하는데, 이는 높은 온도에서 소수(minor) 캐리어의 열 여기(thermal excitation)에 의한 것일 수 있다. 실온에서 제벡 계수는 RGO의 부피 백분율이 0, 0.1, 0.4, 0.8인 경우 각각, 170, 172, 171, 166 uV/K일 수 있다. RGO 부피 백분율이 변해도 제벡 계수는 비슷한 값을 가짐을 알 수 있다.As the temperature increases, the Seebeck coefficient increases, which may be due to thermal excitation of the minor carriers at high temperatures. At room temperature, the Seebeck coefficient can be 170, 172, 171, 166 uV / K when the volume percentages of RGO are 0, 0.1, 0.4 and 0.8, respectively. It can be seen that the Seebeck coefficient has a similar value even if the RGO volume percentage changes.

복합 열전 재료 제조 방법에 의해 제조된 복합 열전 재료는 개선된 홀 이동도로 인한 높은 전기 전도도를 가지면서 제벡 계수는 변함 없는 값을 가질 수 있을 뿐 아니라, 원 팟(one pot) 합성 방법의 관점에서 스케일 업(scale-up) 공정에 유리할 수 있다.The composite thermoelectric material produced by the method of preparing a composite thermoelectric material has a high electric conductivity due to an improved hole mobility and has a constant value of the Seebeck coefficient, Scale-up process.

도 7d는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 파워 팩터(Power Factor)의 온도 의존성의 예를 나타낸다.7D shows an example of the temperature dependence of the power factor of the composite thermoelectric material according to the volume percentage of the carbon isotope.

도 7d를 참조하면, 파워 팩터가 온도의 상승에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있다. 파워 팩터는 실온에서 RGO의 부피 백분율이 0.4일 때 46×10-4 W/mK2으로 가장 높은 값을 가짐을 알 수 있다. RGO의 부피 백분율이 0, 0.1, 0.8인 경우 각각 파워 팩터는 각각 40×10-4 W/mK2, 42×10-4 W/mK2, 47×10-4 W/mK2의 값을 가질 수 있다. 최적의 RGO 부피 백분율은 0.4로 RGO가 포함되지 않은 프리스틴 Bi0.36Sb1.64Te3에 비하여 20% 향상된 파워 팩터를 가질 수 있다.Referring to FIG. 7D, it can be seen that the power factor decreases with increasing temperature. It can be seen that the power factor has the highest value at 46 × 10 -4 W / mK 2 when the volume percentage of RGO is 0.4 at room temperature. When the volume percentage of RGO is 0, 0.1, and 0.8, respectively, the power factor is 40 × 10 -4 W / mK 2 , 42 × 10 -4 W / mK 2 , and 47 × 10 -4 W / mK 2 , respectively. The optimal RGO volume percentage is 0.4 and can have a 20% power factor improvement over Pristine Bi 0.36 Sb 1.64 Te 3 without RGO.

도 8a는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 열 전도도의 온도 의존성을 나타낸다.8a shows the temperature dependence of the thermal conductivity of the composite thermoelectric material according to the volume percentage of the carbon isotope.

도 8a를 참조하면, 열 전도도는 RGO의 부피 백분율에 크게 관계없이 온도에 따라 비슷한 값을 나타내고, 온도가 증가함에 따라 감소하고, 고온에서 약간 증가하는 양극성 전도(bipolar conduction)를 나타냄을 알 수 있다. RGO가 분산된 Bi0.36Sb1.64Te3 샘플은 프리스틴 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3 샘플에 비해서 낮은 열 전도도를 가진다.Referring to FIG. 8A, the thermal conductivity shows a similar value depending on the temperature regardless of the volume percentage of RGO, and shows a bipolar conduction which decreases with increasing temperature and slightly increases at high temperature . A sample of Bi 0.36 Sb 1.64 Te 3 in which RGO was dispersed was Pristine Bi 0 . 36 Sb 1 . It has a lower thermal conductivity than the 64 Te 3 sample.

음향 포논 산란을 가지는 싱글 파라볼릭 밴드(Single Parabolic Band, SPB) 모델의 가정으로부터 로렌츠 수는 수학식 7 및 수학식 8의 페르미 적분(Fermi integral)을 이용하여 계산될 수 있다.From the assumption of a single parabolic band (SPB) model having acoustic phonon scattering, the Lorentz number can be calculated using the Fermi integral of Equations (7) and (8).

Figure pat00007
Figure pat00007

Figure pat00008
Figure pat00008

여기서, Fn(ξ) 및 ξ는 각각 페르미 적분 및 감소된 페르미 에너지(reduced Fermi energy) ((EF-EC)/kT)에 대응될 수 있고, 음향 포논 산란에 대한 r은 -1/2일 수 있다. 수학식 7 및 수학식 8을 이용하여 로렌츠 수가 수학식 9와 같이 계산될 수 있다.Here, F n (ξ) and ξ may correspond to Fermi integral and reduced Fermi energy (E F -E C ) / k T , respectively, and r for acoustic phonon scattering may correspond to -1 / 2 < / RTI > The Lorentz number can be calculated as shown in Equation (9) using Equation (7) and Equation (8).

수학식 9에 따라 계산된 로렌츠 수는 실온 내지 473K의 범위에서 1.61×10-9 WΩ/K2 내지 1.69×10-9 WΩ/K2의 범위를 가질 수 있다.The number of Lorentz calculated according to Equation (9) can range from 1.61 × 10 -9 WΩ / K 2 to 1.69 × 10 -9 WΩ / K 2 in a range of from room temperature to 473K.

도 8b는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 격자 열 전도도의 온도 의존성을 나타낸다.Figure 8b shows the temperature dependence of the lattice thermal conductivity of the composite thermoelectric material according to the volume percentage of the carbon isotope.

도 8b를 참조하면, 계산된 로렌츠 수를 이용하여 격자 열 전도도 klat이 계산될 수 있다. RGO의 부피 백분율이 0.4인 경우 374 K에서 가장 낮은 격자 열 전도도 값인 0.63 W/mK를 나타내는 것을 확인할 수 있고, 이는 프리스틴 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3의 격자 열전도도 값(0.71 W/mK)에 비해서 11% 낮은 값일 수 있다.Referring to FIG. 8B, the lattice thermal conductivity k lat can be calculated using the calculated Lorentz number. If the volume percentage of the 0.4 value RGO lowest lattice thermal conductivity at 374 K can be confirmed that represents the 0.63 W / mK, which pristine Bi 0. 36 Sb 1 . The value can be 11% lower than the lattice thermal conductivity value (0.71 W / mK) of 64 Te 3 .

격자 열전도도 값의 감소는 탄소 동소체와 열전 재료 사이의 경계에서의 강화된 산란효과와 감소된 그레인 크기에 기인한 것일 수 있다. 높은 RGO 부피 백분율을 가지는 샘플에서는 RGO의 불량 분산으로 인하여 격자 열전도도가 증가할 수 있다.The reduction in the lattice thermal conductivity value may be due to the enhanced scattering effect at the interface between the carbon isotope and the thermoelectric material and the reduced grain size. In samples with a high RGO volume percentage, the lattice thermal conductivity may increase due to poor dispersion of RGO.

도 8c는 탄소 동소체의 부피 백분율에 따른 복합 열전 재료의 성능 계수의 온도 의존성을 나타낸다.Figure 8c shows the temperature dependence of the coefficient of performance of the composite thermoelectric material according to the volume percentage of the carbon isotope.

도 8c를 참조하면, 복합 열전 재료는 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 높은 성능 계수(ZT)를 가짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 8C, it can be seen that the composite thermoelectric material has a higher coefficient of performance (ZT) than a pristine thermoelectric material containing no carbon isotope.

최대 성능 계수 값은 RGO의 부피 백분율이 0, 0.1, 0.4로 증가할수록 증가하고, 부피 백분율이 0.4일 때 393 K의 온도에서 최대 성능 계수 1.16을 가짐을 확인할 수 있다. 모든 샘플에서 성능 계수는 온도에 따라 비슷한 경향을 보인다. 이러한 비슷한 경향은 RGO 결합이 열전 재료의 전자 밴드 구조에 영향을 미치지 않았음을 의미한다.The maximum performance factor increases as the RGO volume percentage increases to 0, 0.1 and 0.4, and the maximum performance factor is 1.16 at a temperature of 393 K when the volume percentage is 0.4. The coefficient of performance in all samples tends to be similar with temperature. This similar trend means that the RGO bond did not affect the electronic band structure of the thermoelectric material.

열전 재료와 탄소 동소체를 결합함으로써, 높은 홀 캐리어 이동도를 달성할 수 있고, 강화된 포논의 경계 산란으로 인한 낮은 격자 열 전도도를 달성할 수 있다.By combining thermoelectric material and carbon isotope, high hole carrier mobility can be achieved and low lattice thermal conductivity due to enhanced phonon boundary scattering can be achieved.

고순도의 Bi(99.999%, 5N Plus), Sb(99.999%, 5N Plus) 및 Te(99.999%, 5N Plus) 그래뉼(granule)을 Bi0 . 36Sb1 . 64Te3의 화학식에 따라 출발 물질로 계량하였다. Te 휘발을 보상하기 위해 과잉의 1 wt% Te를 더 첨가하였다. 원료 물질들을 쿼츠 앰플에 로딩하고 진공 상태에서 밀봉하였다. 앰플을 1373 K에서 4시간 동안 가열하고, 급냉하여 잉곳을 수득하였다.Highly pure Bi (99.999%, 5N Plus) , Sb (99.999%, 5N Plus) and Te (99.999%, 5N Plus) a granule (granule) Bi 0. 36 Sb 1 . 64 Te 3 as starting materials. An excess of 1 wt% Te was further added to compensate for Te volatilization. The raw materials were loaded into a quartz ampule and sealed under vacuum. The ampoule was heated at 1373 K for 4 hours and quenched to obtain an ingot.

잉곳을 분쇄하고 spex-mill로 1시간 동안 분쇄된 잉곳을 RGO 나노파우더(graphene-supermarket.com 에서 구매)와 혼합하였다. 혼합된 파우더를 0.4 mm 직경의 흑연 몰드에 주입하였다. The ingot was pulverized and milled for 1 hour with spex-mill, and the ingot was mixed with RGO nano powder (purchased from graphene-supermarket.com). The blended powder was injected into a 0.4 mm diameter graphite mold.

도 1에 도시된 장치를 이용해, 용융 스피닝 처리하여 균일상, 나노 구조의 RGO/BST 혼합물을 수득하였다. 용융 스피닝 처리에서 구리 휠을 1000 rpm으로 회전시키고, 냉간 압축된 파우더를 인덕션을 이용하여 용융시켰다.Using the apparatus shown in Fig. 1, a melt-spinning treatment was performed to obtain a homogeneous, nanostructured RGO / BST mixture. The copper wheel was rotated at 1000 rpm in the melt spinning process, and the cold compacted powder was melted by induction.

도 2에 도시된 바와 같이, 용융 스피닝을 통해 형성한 리본(50)은 접촉 표면(CS)에서 비정질 구조를 가지고 자유 표면(FS)에서 결정질 나노 구조(200-300 nm 폭)을 가졌다. 융용 스피닝된 리본을 파우더로 분쇄하고 스파크 플라즈마 소결(SPS)을 753 K, 60 MPa에서 3 분 동안 수행하였다. 소결된 펠릿은 12.5 mm의 직경과 10 mm의 높이를 가졌다.As shown in FIG. 2, the ribbon 50 formed through melt spinning had a crystalline nanostructure (200-300 nm width) at the free surface (FS) with an amorphous structure at the contact surface (CS). The fused spinning ribbon was pulverized with a powder and spark plasma sintering (SPS) was performed at 753 K, 60 MPa for 3 minutes. The sintered pellets had a diameter of 12.5 mm and a height of 10 mm.

스파크 플라즈마 소결된 샘플을 스파크 플라즈마 소결의 압축 면 방향에 수직 및 수평한 방향으로 X레이 회절(XRD, New D8 Advance, Bruker, Cu Kα) 측정을 수행하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다. SEM(JSM-7600F,JEOL)으로 마이크로 구조를 조사하였다. 또한, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 라만 스펙트로스코피로 RGO 및 소결된 샘플의 결정도를 측정하였다.Spark plasma sintered samples were subjected to X-ray diffraction (XRD, New D8 Advance, Bruker, Cu Kα) measurements perpendicularly and horizontally to the compression plane direction of the spark plasma sintering. The results are shown in Fig. Microstructures were investigated with SEM (JSM-7600F, JEOL). In addition, as shown in Figs. 6A and 6B, the crystallinity of RGO and sintered samples was measured with Raman spectroscopy.

도 7a에 도시된 바와 같이, ZEM-3 장치(ULVAC-RIKO)로 4점 프로브(four point probe) 방법을 이용하여 473 K 온도에서 전기 전도도(σ)를 측정했고, 도 7c에 결과를 나타낸 바와 같이, 제벡 계수(S)를 측정하였다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 홀 효과 측정 시스템(HT-Hall, ResiTest 8300, Toyo Corporation)을 이용하여 캐리어 농도와 이동도(μ)를 측정하였다. 도 8a에 도시된 바와 같이, Netzsch LFA 457를 이용한 레이저-플래쉬(laser-flash) 분석을 통해 열 전도도(k)를 측정하였다. 상기 물성들을 하기 표 1에 요약하였다.As shown in FIG. 7A, the electric conductivity () was measured at a temperature of 473 K using a four point probe method with a ZEM-3 apparatus (ULVAC-RIKO), and the results shown in FIG. Likewise, the Seebeck coefficient (S) was measured. As shown in FIG. 7B, carrier concentration and mobility (μ) were measured using a Hall effect measurement system (HT-Hall, ResiTest 8300, Toyo Corporation). Thermal conductivity (k) was measured by laser-flash analysis using Netzsch LFA 457, as shown in Figure 8A. These properties are summarized in Table 1 below.

특성\RGO 함량Properties \ RGO content 0 vol. %0 vol. % 0.1 vol. %0.1 vol. % 0.4 vol. %0.4 vol. % 0.8 vol. %0.8 vol. % σ(RT)σ (RT) 1395 S/cm1395 S / cm 1407 S/cm1407 S / cm 1580 S/cm1580 S / cm 1333 S/cm1333 S / cm S(RT)S (RT) 170 uV/K170 uV / K 172 uV/K172 uV / K 171 uV/K171 uV / K 166 uV/K166 uV / K μ(RT)μ (RT) 223 cm2/Vs223 cm 2 / Vs 219 cm2/Vs219 cm 2 / Vs 253 cm2/Vs253 cm 2 / Vs 210 cm2/Vs210 cm 2 / Vs PF(RT)PF (RT) 40×10-4 W/mK2 40 × 10 -4 W / mK 2 42×10-4 W/mK2 42 × 10 -4 W / mK 2 46×10-4 W/mK2 46 × 10 -4 W / mK 2 37×10-4 W/mK2 37 × 10 -4 W / mK 2 klat(347K)k lat (347K) 0.71 W/mK0.71 W / mK 0.68 W/mK0.68 W / mK 0.63 W/mK0.63 W / mK 0.67 W/mK0.67 W / mK ZT(393K)ZT (393K) 1.011.01 1.111.11 1.161.16 1.021.02

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.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. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (20)

열전 재료(thermoelectric material)의 매트릭스(matrix); 및
상기 매트릭스 내에 분산된 탄소 동소체(allotrope of carbon)
를 포함하는 복합 열전 재료.
A matrix of thermoelectric material; And
Allotrope of carbon dispersed in the matrix,
/ RTI >
제1항에 있어서,
상기 열전 재료는,
Bi-Sb-Se-Te 기반 열전 재료를 포함하는 복합 열전 재료.
The method according to claim 1,
The thermo-
A composite thermoelectric material comprising a Bi-Sb-Se-Te based thermoelectric material.
제2항에 있어서,
상기 Bi-Sb-Se-Te 기반 열전 재료는,
하기 화학식 1로 표시되는 물질을 포함하는 복합 열전 재료.
화학식 1
Bi2 - aSbaSe3 - bTeb (0≤a≤2, 0≤b≤3)
3. The method of claim 2,
The Bi-Sb-Se-Te based thermoelectric material,
A composite thermoelectric material comprising a material represented by the following formula (1).
Formula 1
Bi 2 - a Sb a Se 3 - b Te b (0? A? 2, 0? B? 3 )
제1항에 있어서,
상기 탄소 동소체는,
그래핀(graphene) 및 탄소 나노 튜브(carbon nanotube) 중에서 선택되는
복합 열전 재료.
The method according to claim 1,
The above-
Graphene, and carbon nanotubes.
Composite thermoelectric materials.
제4항에 있어서,
상기 그래핀은,
테이프로 떼어낸 그래핀, CVD(Chemical Vapor Deposition) 성장된 그래핀, 허머스(Hummer's) 방법으로 제조된 그래핀 옥사이드 및 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)를 포함하고,
상기 탄소 나노 튜브는,
단일벽 탄소 나노 튜브, 이중벽 탄소 나노 튜브 및 다중벽 탄소 나노 튜브를 포함하는
복합 열전 재료.
5. The method of claim 4,
The graphene
Tape-graphene graphene, CVD (Chemical Vapor Deposition) grown graphene, graphene oxide prepared by the Hummer's method, and reduced graphene oxide,
The carbon nanotubes may include,
Including single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes
Composite thermoelectric materials.
제1항에 있어서,
상기 탄소 동소체는,
상기 복합 열전 재료에 10 vol.% 이하의 함량으로 포함되는
복합 열전 재료.
The method according to claim 1,
The above-
The composite thermoelectric material is contained in an amount of 10 vol.% Or less
Composite thermoelectric materials.
제1항에 있어서,
상기 복합 열전 재료의 그레인 크기(grain size)는 상기 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료(pristine thermoelectric material)의 그레인 크기에 비하여 작은
복합 열전 재료.
The method according to claim 1,
The grain size of the composite thermoelectric material is smaller than the grain size of a pristine thermoelectric material not containing the carbon isotope
Composite thermoelectric materials.
제1항에 있어서,
상기 복합 열전 재료는,
상기 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 높은 홀 캐리어 이동도(hole carrier mobility)를 가지는
복합 열전 재료.
The method according to claim 1,
In the composite thermoelectric material,
The material having a higher hole carrier mobility than the pristine thermoelectric material containing no carbon isotope
Composite thermoelectric materials.
제1항에 있어서,
상기 복합 열전 재료는 상기 탄소 동소체를 포함하지 않은 프리스틴 열전 재료에 비하여 높은 성능 계수(ZT)를 가지는
복합 열전 재료.
The method according to claim 1,
Wherein the composite thermoelectric material has a higher coefficient of performance (ZT) than the pristine thermoelectric material that does not include the carbon isotope
Composite thermoelectric materials.
분쇄된(pulverized) 열전 재료를 제공하는 단계;
상기 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 탄소 동소체 파우더와 혼합(mix)하여 혼합 파우더를 생성하는 단계;
상기 혼합 파우더를 성형하여 리본(ribbon)을 형성하는 단계;
상기 리본을 분쇄(pulverize)하는 단계; 및
상기 분쇄된 리본을 소결하여 탄소 동소체가 분산된 열전 재료의 매트릭스를 생성하는 단계
를 포함하는 복합 열전 재료 제조 방법.
Providing a pulverized thermoelectric material;
Mixing the pulverized thermoelectric material with an isotopic carbon powder to produce a mixed powder;
Shaping the mixed powder to form a ribbon;
Pulverizing the ribbon; And
Sintering the pulverized ribbon to produce a matrix of thermoelectric materials in which the carbon isotope is dispersed
≪ / RTI >
제10항에 있어서,
상기 분쇄된(pulverized) 열전 재료를 제공하는 단계는,
열전 재료를 구성하는 원소 물질을 출발 물질로 사용하여 열전 재료의 잉곳(ingot)을 생성하는 단계; 및
상기 열전 재료의 잉곳을 분쇄(pulverize)하는 단계;
를 포함하는 복합 열전 재료 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein providing the pulverized thermoelectric material comprises:
Generating an ingot of a thermoelectric material by using an element material constituting the thermoelectric material as a starting material; And
Pulverizing the ingot of the thermoelectric material;
≪ / RTI >
제10항에 있어서,
상기 탄소 동소체는 그래핀 및 탄소 나노 튜브 중에서 선택되는
복합 열전 재료 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the carbon isotope is selected from graphene and carbon nanotubes
A method for manufacturing a composite thermoelectric material.
제10항에 있어서,
상기 리본을 형성하는 단계는,
급속 고화법(rapid solidification method)을 이용하여 수행되는 것인
복합 열전 재료 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein forming the ribbon comprises:
Which is carried out using the rapid solidification method
A method for manufacturing a composite thermoelectric material.
제13항에 있어서,
상기 급속 고화법은,
용융 스피닝법(melt spinning method), 가스원자화법(gas atomization method), 플라즈마 증착법(plasma deposition method), 원심 분무법(centrifugal atomization method) 및 스플랫 ?치법(splat quenching method)으로 이루어진 군에서 선택된 것인
복합 열전 재료 제조 방법.
14. The method of claim 13,
In the rapid solidification method,
And is selected from the group consisting of a melt spinning method, a gas atomization method, a plasma deposition method, a centrifugal atomization method, and a splat quenching method.
A method for manufacturing a composite thermoelectric material.
제14항에 있어서,
상기 리본을 형성하는 단계는,
상기 용융 스피닝법을 이용해 수행되고,
상기 용융 스피닝법은,
상기 혼합 파우더를 용융시키는(melt) 단계; 및
용융된 혼합 파우더를 냉각(cooling)시키는 단계
를 포함하는 복합 열전 재료 제조 방법.
15. The method of claim 14,
Wherein forming the ribbon comprises:
Is performed using the melt spinning method,
In the melt spinning method,
Melting the mixed powder; And
Cooling the molten mixed powder
≪ / RTI >
제15항에 있어서,
상기 냉각시키는 단계는,
105K/sec 내지 107K/sec의 냉각률(cooling rate)로 냉각시키는 단계
를 포함하는 복합 열전 재료 제조 방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the cooling step comprises:
Cooling to a cooling rate of 10 5 K / sec to 10 7 K / sec
≪ / RTI >
제10항에 있어서,
상기 리본을 분쇄하는 단계는,
건식 분쇄 방법을 이용하여 상기 리본을 분쇄하는 단계
를 포함하는 복합 열전 재료 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the step of grinding the ribbon comprises:
Pulverizing the ribbon using a dry grinding method
≪ / RTI >
제17항에 있어서,
상기 건식 분쇄 방법은,
볼 밀링(ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling), 고에너지 밀링(high energy milling), 제트 밀링(zet milling) 및 막자 사발 분쇄로 이루어진 군에서 선택되는 것인
복합 열전 재료 제조 방법.
18. The method of claim 17,
In the dry grinding method,
And is selected from the group consisting of ball milling, attrition milling, high energy milling, zet milling and mortar milling.
A method for manufacturing a composite thermoelectric material.
제10항에 있어서,
상기 소결은,
스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 또는 핫프레스 소결(hot press sintering)
을 포함하는 복합 열전 재료 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Preferably,
Spark plasma sintering or hot press sintering.
≪ / RTI >
제10항에 있어서,
상기 매트릭스를 생성하는 단계는,
300℃ 내지 800℃의 온도 조건, 1Pa 내지 100Pa의 압력 조건 및 진공 조건 중 적어도 하나의 조건 하에서 1분 내지 10분 동안 상기 분쇄된 리본을 소결하는 단계
를 포함하는 복합 열전 재료 제조 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein generating the matrix comprises:
Sintering the pulverized ribbon for 1 minute to 10 minutes under at least one of a temperature condition of 300 DEG C to 800 DEG C, a pressure condition of 1 Pa to 100 Pa and a vacuum condition
≪ / RTI >
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