KR20200002435A - METHOD FOR MANUFACTURING Bi-Sb-Te BASED THERMOELECTRIC MATERIAL WITH CONTROLLED GRAIN SIZE AND THERMOELECTRIC MATERIAL MANUFACTURED THEREBY - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a Bi-Sb-Te-based thermoelectric material and a thermoelectric material manufactured thereby. The method for manufacturing a Bi-Sb-Te-based thermoelectric material comprises the following steps of: (a) heat-treating a Bi-Sb-Te-based thermoelectric powder through electric conduction heating; and (b) manufacturing a Bi-Sb-Te-based thermoelectric material sintered body by sintering the powder heat-treated in the step (a) by spark plasma sintering (SPS). According to the present invention, it is possible to control a grain size of a thermoelectric material by performing heat treatment of heating a thermoelectric powder through electric conduction heating before manufacturing a thermoelectric material through sintering, thereby manufacturing a thermoelectric material with an optimized grain size to have not only excellent figure of merit (ZT) but also improved mechanical properties compared to a conventional thermoelectric material.

Description

결정립 크기가 제어된 Bi-Sb-Te계 열전재료의 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전재료{METHOD FOR MANUFACTURING Bi-Sb-Te BASED THERMOELECTRIC MATERIAL WITH CONTROLLED GRAIN SIZE AND THERMOELECTRIC MATERIAL MANUFACTURED THEREBY}Method for manufacturing Bi-Sb-Te-based thermoelectric material with controlled grain size and thermoelectric material manufactured by the same

본 발명은 열전재료의 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전재료에 대한 것으로서, 보다 상세하게는, 최종적으로 제조되는 열전재료의 결정립을 제어하기 위한 공정을 포함하는 Bi-Sb-Te계 열전재료의 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전재료에 대한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a thermoelectric material and a thermoelectric material produced thereby, and more particularly, to manufacturing a Bi-Sb-Te-based thermoelectric material including a process for controlling grains of a thermoelectric material finally manufactured. To a method and a thermoelectric material produced thereby.

열전재료란 신대체에너지 재료로서 온도구배에 의한 열에너지를 전기에너지로 변환하고, 역으로 직류전류를 인가하여 재료의 양단에 한 곳은 흡열 다른 곳은 발열이 일어나 열에너지로 변환하는 재료이다.A thermoelectric material is a new alternative energy material that converts thermal energy due to temperature gradient into electrical energy, and inversely, direct current is applied to one end of the material, where endothermic heat is generated and heat is converted to thermal energy.

상기와 같은 에너지변환현상을 열전현상이라 하며, 그 중 열에너지를 전기에너지로 변환하는 Seebeck 효과는 열전발전(thermoelectric generation)에 이용되고, 전기에너지를 열에너지로 변환하는 Peltier 효과는 열전냉각(thermoelectric refrigeration)에 이용되고 있다.The above-mentioned energy conversion phenomenon is called thermoelectric phenomenon, and the Seebeck effect of converting thermal energy into electrical energy is used for thermoelectric generation, and the peltier effect of converting electrical energy into thermal energy is thermoelectric refrigeration. It is used for.

상기 열전발전은 기존의 발전 장치와 달리 구동부가 없어 소음이 적고 간편하게 열과 전기를 상호 변환할 수 있는 장점이 있다. 또한, 상기 열전냉각은 기존의 장치처럼 냉매를 이용하지 않기 때문에 환경 친화적이며, 기계적 구동부가 없기 때문에 소음 및 진동이 없고 국소부분의 선택적인 냉각이 가능하다. 따라서, 고출력의 레이저 다이오드, 계측장비, 의료용 장비, 소형 냉장고 등의 가전 산업 분야로 사용이 점차 확대되고 있다.The thermoelectric power generation has the advantage that there is little noise and can easily convert heat and electricity mutually, unlike a conventional power generation device. In addition, the thermoelectric cooling is environmentally friendly because it does not use a refrigerant as in the conventional apparatus, and since there is no mechanical driving unit, there is no noise and vibration and selective cooling of the local part is possible. Therefore, its use is gradually being extended to the home appliance industry, such as high-power laser diodes, measuring equipment, medical equipment, and small refrigerators.

열전재료가 널리 사용되기 위해서는 재료의 열/전기 변환효율이 높아야 하는데, 일반적으로 열전재료의 변환효율은 성능지수(figure of merit, ZT)로 평가된다.In order for thermoelectric materials to be widely used, the thermal / electric conversion efficiency of materials must be high. Generally, the conversion efficiency of thermoelectric materials is evaluated by a figure of merit (ZT).

열전재료의 성능지수는

Figure pat00001
로 나타내며, 높은 변환효율을 나타내기 위해서는 높은 Seebeck 계수(α)와 낮은 전기비저항(ρ) 및 낮은 열전도도(κ)가 동시에 요구된다. 이들 물성들은 재료내부의 전하(carrier)와 격자진동(phonon)의 거동에 의존하는 물질상수로서, 서로 종속적인 관계를 가지고 있다. 이러한 물성들의 상호의존적인 관계는 열전재료의 연구가 진행된 이래 성능지수를 높이는데 큰 장애요소로 작용하여 왔으며, 이를 극복하기 위한 여러 연구가 활발히 진행되고 있다.The performance index of thermoelectric materials
Figure pat00001
In order to exhibit high conversion efficiency, high Seebeck coefficient (α), low electrical resistivity (ρ), and low thermal conductivity (κ) are simultaneously required. These properties are material constants that depend on the behavior of carriers and lattice vibrations within the material and have a mutually dependent relationship. The interdependent relationship of these properties has been a major obstacle to improving the performance index since the study of thermoelectric materials, and various studies to overcome them have been actively conducted.

성능지수는 사용온도에 따라서 우수한 성능지수를 가지는 합금계가 나누어져 있으며, 상온영역(200℃ 이하)에서는 Bi-Te계, 중온영역(200~400℃)에서는 TAGS (tellurium-antimony-germanium-silver)계, 고온영역(500~1000)에서는 Si-Ge계 재료가 이용되고 있다.The performance index is divided into alloys having excellent performance indexes according to the operating temperature.Bi-Te-based in the room temperature range (below 200 ℃) and TAGS (tellurium-antimony-germanium-silver) in the mid-temperature zone (200 ~ 400 ℃) Si-Ge-based materials are used in the high-temperature regions 500-1000.

상온에서 높은 성능지수를 가지는 재료인 Bi-Te계 열전재료는 Bi2Te3가 대표적이며, Sb이나 Se을 첨가하여 p형 혹은 n형으로 제조된다.Bi-Te-based thermoelectric material, which is a material having a high performance index at room temperature, is typically Bi 2 Te 3 and is manufactured in p-type or n-type by adding Sb or Se.

상기와 같이 종래기술의 대부분은 열전 소재의 성능지수 향상을 위해 신규 소재 및 조성의 개발에 관한 것으로서, 열전 소재의 결정립 크기를 제어해 열전 성능을 향상시키고자 하는 시도는 사실상 전무한 실정이다.As described above, most of the related arts are related to the development of new materials and compositions for improving the performance index of thermoelectric materials, and there is virtually no attempt to improve thermoelectric performance by controlling grain sizes of thermoelectric materials.

한국등록특허 제10-1114252호 (등록일: 2012. 02. 02.)Korea Patent Registration No. 10-1114252 (Registration Date: 2012. 02. 02.) 한국등록특허 제10-1104677호 (등록일: 2012. 01. 04.)Korea Patent Registration No. 10-1104677 (Registration Date: 2012. 01. 04.) 일본공개특허 특개 2004-342893 (공개일: 2004. 12. 02.)Japanese Patent Laid-Open No. 2004-342893 (published: 2004. 12. 02.)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 열전재료의 결정립 크기를 제어할 수 있는 공정을 포함함으로써 기계적 물성이 향상되고 우수한 열전성능지수(ZT)를 가지는 열전재료를 제조할 수 있는 열전재료 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전재료를 제공하는 것이다.The technical problem to be solved by the present invention is a thermoelectric material manufacturing method capable of producing a thermoelectric material having improved mechanical properties and excellent thermoelectric index (ZT) by including a process that can control the grain size of the thermoelectric material and It is to provide a thermoelectric material produced thereby.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 (a) 통전 가열을 통해 Bi-Sb-Te계 열전 분말을 열처리하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 열처리한 분말을 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering, SPS)으로 소결해 Bi-Sb-Te계 열전재료 소결체를 제조하는 단계를 포함하는 Bi-Sb-Te계 열전재료의 제조방법을 제안한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention comprises the steps of (a) heat-treating the Bi-Sb-Te-based thermoelectric powder through energization heating; And (b) sintering the powder heat-treated in step (a) by spark plasma sintering (SPS) to produce a Bi-Sb-Te-based thermoelectric material sintered body. We propose a method of manufacturing the material.

또한, 상기 단계 (a)에서 상기 Bi-Sb-Te계 열전 분말은 Bi0.5Sb1.5Te2로 이루어진 것을 특징으로 하는 Bi-Sb-Te계 열전재료의 제조방법을 제안한다.In addition, the Bi-Sb-Te-based thermoelectric powder in step (a) proposes a method of manufacturing a Bi-Sb-Te-based thermoelectric material, characterized in that the Bi 0.5 Sb 1.5 Te 2 .

또한,상기 단계 (a)에서 Bi-Sb-Te계 열전 분말을 진공 분위기 하에서 통전 가열해 400 ~ 550℃의 온도로 30 ~ 90분 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 Bi-Sb-Te계 열전재료의 제조방법을 제안한다.In addition, the Bi-Sb-Te-based thermoelectric powder of the Bi-Sb-Te-based thermoelectric material in a vacuum atmosphere in the step (a) and maintained for 30 to 90 minutes at a temperature of 400 ~ 550 ℃ characterized in that We propose a manufacturing method.

또한, 상기 단계 (a)에서 Bi-Sb-Te계 열전 분말을 10-3 torr의 진공 분위기 하에서 10℃/min의 가열속도로 통전 가열해 470℃에서 60분 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 Bi-Sb-Te계 열전재료의 제조방법을 제안한다.In addition, in step (a), the Bi-Sb-Te-based thermoelectric powder is energized and heated at a heating rate of 10 ° C./min under a vacuum atmosphere of 10 −3 torr and maintained at 470 ° C. for 60 minutes. We propose a method of manufacturing Sb-Te-based thermoelectric materials.

또한, 상기 단계 (b)에서 350 ~ 550℃의 온도 및 30 ~ 80 MPa의 압력 하에서 방전 플라즈마 소결하는 것을 특징으로 하는 Bi-Sb-Te계 열전재료의 제조방법을 제안한다.In addition, the step (b) proposes a method for producing a Bi-Sb-Te-based thermoelectric material, characterized in that the discharge plasma sintering at a temperature of 350 ~ 550 ℃ and a pressure of 30 ~ 80 MPa.

그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 제조방법에 의해 제조된 열전재료를 제안한다.In another aspect of the present invention, the present invention proposes a thermoelectric material manufactured by the above method.

본 발명에 따른 열전재료 제조방법에 의하면, 소결을 통해 열전재료를 제조하기 전에 통전 가열을 통해 열전 분말을 가열하는 열처리를 실시함으로써 열전재료의 결정립 크기를 제어하는 것이 가능하며, 그에 따라 기존 열전재료에 비해 우수한 성능지수(ZT)는 물론 향상된 기계적 물성까지 가지도록 결정립 크기가 최적화된 열전재료를 제조할 수 있다.According to the method of manufacturing a thermoelectric material according to the present invention, it is possible to control the grain size of the thermoelectric material by performing a heat treatment for heating the thermoelectric powder through energizing heating before manufacturing the thermoelectric material through sintering, and accordingly the existing thermoelectric material Compared with ZT, the thermoelectric material with the optimized grain size can be manufactured to have improved mechanical properties.

도 1(a) 내지 도 1(c)는 각각 비교예, 실시예 2 및 실시예 5에서 제조된 소결체의 파단면을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 2(a) 내지 도 2(c)는 각각 비교예 및 실시예 1 내지 5에서 제조된 열전재료 소결체의 제벡 계수, 전기전도도 및 출력인자(Power factor)를 비교한 그래프이다.
도 3은 본원 비교예 및 실시예 1 내지 5에서 제조된 열전재료 소결체의 열전도도를 비교한 그래프이다.
도 4는 본원 비교예 및 실시예 1 내지 5에서 제조된 열전재료 소결체의 열전성능지수(ZT)를 비교한 그래프이다.
1 (a) to 1 (c) are scanning electron microscope (SEM) photographs showing fracture surfaces of the sintered bodies prepared in Comparative Examples, Examples 2 and 5, respectively.
2 (a) to 2 (c) are graphs comparing Seebeck coefficient, electrical conductivity, and power factor of the thermoelectric material sintered bodies manufactured in Comparative Examples and Examples 1 to 5, respectively.
Figure 3 is a graph comparing the thermal conductivity of the thermoelectric material sintered body prepared in Comparative Examples and Examples 1 to 5.
Figure 4 is a graph comparing the thermoelectric performance index (ZT) of the thermoelectric material sintered body prepared in Comparative Examples and Examples 1 to 5.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In describing the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments according to the concept of the present invention can be variously modified and can have various forms, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the present specification or application. However, this is not intended to limit the embodiments in accordance with the concept of the present invention to a particular disclosed form, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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 존재함을 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. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof that is described, and that one or more other features or numbers are present. It should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, actions, components, parts or combinations thereof.

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

본 발명에 따른 결정립 크기가 제어된 Bi-Sb-Te계 열전재료의 제조방법은 (a) 통전 가열을 통해 Bi-Sb-Te계 열전 분말을 열처리하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 열처리한 분말을 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering, SPS)으로 소결해 Bi-Sb-Te계 열전재료 소결체를 제조하는 단계를 포함해 이루어진다.According to the present invention, a method for manufacturing a Bi-Sb-Te-based thermoelectric material having a controlled grain size includes: (a) heat treating a Bi-Sb-Te-based thermoelectric powder through energizing heating; And (b) sintering the powder heat-treated in step (a) by spark plasma sintering (SPS) to produce a Bi-Sb-Te-based thermoelectric material sintered body.

상기 단계 (a)는 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering, SPS)을 이용해 Bi-Sb-Te계 열전 분말로부터 곧바로 소결체를 제조하기에 앞서, 상기 소결체 내의 열전재료 결정립의 크기를 조절하기 위해 상기 Bi-Sb-Te계 열전 분말을 진공 분위기 하에서 통전 가열하고 소정의 온도에서 일정 시간 동안 유지하는 열처리를 실시하는 단계이다.The step (a) is performed in order to control the size of the thermoelectric material grains in the sintered body prior to manufacturing the sintered body directly from the Bi-Sb-Te-based thermoelectric powder using spark plasma sintering (SPS). In this step, the Sb-Te-based thermoelectric powder is energized and heated in a vacuum atmosphere and maintained at a predetermined temperature for a predetermined time.

예를 들어, 금형 내에 Bi-Sb-Te계 열전 분말을 충진한 후, 상기 충진된 열전 분말층의 양단에 접촉된 한 쌍의 전극 및 상기 한 쌍의 전극에 펄스전류를 공급할 수 있는 전원장치를 이용해 진공 분위기 하에서 상기 한 쌍의 전극 사이에 전압을 인가하여 열전 분말층 내에 통전을 일으켜 줄열에 의해 상기 열전 분말층을 가열하고 400 ~ 550℃의 온도로 30 ~ 90분 동안 유지함으로써 본 단계에 따른 열처리가 이루어진다.For example, after filling the Bi-Sb-Te-based thermoelectric powder in the mold, a pair of electrodes in contact with both ends of the filled thermoelectric powder layer and a power supply device capable of supplying a pulse current to the pair of electrodes According to this step by applying a voltage between the pair of electrodes in a vacuum atmosphere to generate electricity in the thermoelectric powder layer by heating the thermoelectric powder layer by Joule heat and maintaining for 30 to 90 minutes at a temperature of 400 ~ 550 ℃ Heat treatment takes place.

본 단계에서 이루어지는 열처리 온도 및 열처리 시간이 증가할수록, 후술할 단계 (b)에 의해 얻어지는 열전재료 소결체 내의 결정립 크기가 증가하게 되므로, 본 단계를 실시함으로써 열전재료의 결정립 크기를 제어하는 것이 가능하며, 그에 따라 기존 열전재료에 비해 우수한 성능지수(ZT)는 물론 향상된 기계적 물성까지 가지도록 결정립 크기가 최적화된 열전재료를 제조할 수 있다.As the heat treatment temperature and heat treatment time made in this step increase, the grain size in the thermoelectric material sintered body obtained by step (b) to be described later increases, so that it is possible to control the grain size of the thermoelectric material by performing this step, Accordingly, it is possible to manufacture a thermoelectric material having a grain size optimized to have excellent ZT and improved mechanical properties compared to the existing thermoelectric material.

한편, 상기 Bi-Sb-Te계 열전 분말은 주요 원소인 Bi, Sb, Te 이외에 Pb, Cu, Se 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 공지의 Bi-Sb-Te계 열전 재료에 해당하는 모든 조성 범위 중에서 선택된 분말일 수 있으며, 바람직하게는 Bi0.5Sb1.5Te2로 이루어질 수 있다.Meanwhile, the Bi-Sb-Te-based thermoelectric powder may further include at least one of Pb, Cu, and Se in addition to Bi, Sb, and Te as main elements, but is not limited thereto. It may be a powder selected from all composition ranges corresponding to the material, and may be preferably made of Bi 0.5 Sb 1.5 Te 2 .

참고로, 상기 Bi-Sb-Te계 열전 분말은 밀링 방식, 급속 응고 방식 등으로 제조될 수 있으며, 밀링 방식의 경우 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 및 텔루륨(Te)을 포함하는 주조재를 밀링하거나 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 및 텔루륨(Te)의 각 원소를 밀링하는 방식으로 제조할 수 있다. 또한, 급속 응고 방식은 가스 아토마이징(Gas Atomizing) 등을 이용할 수 있는데, 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 및 텔루륨(Te)을 카본 도가니에 장입한 후, 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 고주파 유도 가열을 통해 용해하고, 그 용탕을 오리피스를 통해 아르곤(Ar) 가스를 분사함으로써, 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 및 텔루륨(Te)을 포함하는 열전재료 제조용 합금을 제조할 수 있다.For reference, the Bi-Sb-Te-based thermoelectric powder may be manufactured by a milling method, a rapid solidification method, etc., and in the case of the milling method, a casting material including bismuth (Bi), antimony (Sb), and tellurium (Te) May be prepared by milling or milling each element of bismuth (Bi), antimony (Sb) and tellurium (Te). In addition, the rapid solidification method may be gas atomizing (Gas Atomizing) and the like, bismuth (Bi), antimony (Sb) and tellurium (Te) in a carbon crucible, and then in a high-frequency in argon (Ar) gas atmosphere By melting through induction heating and injecting the molten metal through an orifice, argon (Ar) gas may be used to produce an alloy for manufacturing thermoelectric materials including bismuth (Bi), antimony (Sb), and tellurium (Te).

다음으로, 상기 단계 (b)에서는 전 단계에서 열처리한 분말을 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering, SPS)으로 소결해 Bi-Sb-Te계 열전재료 소결체를 제조한다.Next, in step (b), the powder heat-treated in the previous step is sintered by spark plasma sintering (SPS) to prepare a Bi-Sb-Te-based thermoelectric material sintered body.

본 단계의 소결체 제조는 가압 소결 방식 중 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering, SPS)에 의해 이루어지며, 바람직하게는 350 ~ 550 ℃의 온도 및 30 ~ 80 MPa의 압력 하에서 방전 플라즈마 소결을 실시할 수 있다.Production of the sintered body in this step is performed by spark plasma sintering (Spark Plasma Sintering, SPS) of the pressure sintering method, preferably discharge plasma sintering at a temperature of 350 ~ 550 ℃ and a pressure of 30 ~ 80 MPa. .

본 단계의 구체적인 일례로서, 방전 플라즈마 소결을 통한 Bi-Sb-Te계 합금으로 이루어진 열전재료 제조 공정에 대해 아래와 같이 설명한다.As a specific example of this step, a thermoelectric material manufacturing process made of Bi-Sb-Te based alloy through discharge plasma sintering will be described below.

방전 플라즈마 소결 공정은 분말을 몰드에 충진하고, 방전 플라즈마 소결 장치의 진공 챔버에 장착하여 분말에 압력과 직류펄스를 인가하여 원하는 형태의 크기로 소결시키는 공정으로, 플라즈마 방전에 의해 순식간에 발생하는 15000K 이상의 순간적인 고 에너지로 인하여 합금분말 표면이 용융하여 분말이 산화하지 않고 소결되어 의해 효과적으로 분말 입자의 성장을 제어하면서 단시간에 소결을 진행하여 미세조직을 유지할 수 있는 장점이 있다.The discharge plasma sintering process is a process in which a powder is filled into a mold, mounted in a vacuum chamber of a discharge plasma sintering apparatus, and sintered to a desired size by applying pressure and a direct current pulse to the powder. Due to the above instantaneous high energy, the surface of the alloy powder is melted and the powder is sintered without oxidation, thereby effectively controlling the growth of the powder particles and thus sintering in a short time to maintain the microstructure.

방전 플라즈마 소결 공정을 통해 Bi-Sb-Te계 합금 열전재료 소결체를 제조하기 위하여 직경 15 ~ 25 φ, 두께 5 ~ 7 mm의 원통형 금형을 준비한 후에, 금형 내부에 상기 제조된 Bi-Sb-Te계 열전 분말을 충진하고, 상기 금형을 방전 플라즈마 소결 장치의 챔버 내에 장착하고, 감압 후 가압하면서 직류펄스 발진기(Pulsed DC Generator)를 이용하여 직류펄스를 인가한다.In order to manufacture a Bi-Sb-Te alloy thermoelectric material sintered body through a discharge plasma sintering process, a cylindrical mold having a diameter of 15 to 25 φ and a thickness of 5 to 7 mm was prepared, and then the Bi-Sb-Te based system was manufactured. The thermoelectric powder is filled, the mold is mounted in a chamber of the discharge plasma sintering apparatus, and a DC pulse is applied using a pulsed DC generator while pressurizing after decompression.

이때, 챔버 내에 존재하는 산화가스를 제거하기 위해 10-3 torr 이하로 감압할 수 있고, 직류펄스는 0.1 ~ 2000 A 범위로 인가할 수 있다.At this time, in order to remove the oxidizing gas existing in the chamber can be reduced to less than 10 -3 torr, DC pulse can be applied in the range of 0.1 ~ 2000A.

이어서, 금형에 충진된 열전재료 분말을 상부와 하부에 펀치(punch)를 이용하여 30 ~ 80 MPa의 압력으로 1축 압축을 실시하는데, 이는 가압 압력이 30 MPa 미만인 경우에는 압력이 낮아 고밀도의 소결체를 제조하기 어렵고 80 MPa를 초과하는 경우에는 소결 공정이 완료된 후의 소결체에 균열이 발생할 수 있기 때문이다.Subsequently, the uniaxial compression of the thermoelectric material powder filled in the mold is carried out at a pressure of 30 to 80 MPa by using a punch at the top and the bottom thereof. If it is difficult to manufacture and exceeds 80 MPa because cracks may occur in the sintered body after the sintering process is completed.

또한, 소결온도 및 소결시간과 관련해, 35 ~ 45 ℃/min의 승온속도로 350 ~ 550 ℃에서 10 ~ 1800초 동안 소결을 실시할 수 있는데, 이는 350 ℃ 보다 낮은 온도에서는 분말 입자들의 표면에서 소결이 일어나지 않아 소결되지 않은 부분이 발생되어 소결체의 강도가 낮음에 따라 소결체가 부스러지며 550 ℃ 보다 높은 온도에서는 Te 용융으로 건전한 시료제작이 어렵기 때문이다.In addition, with respect to the sintering temperature and the sintering time, the sintering may be performed at 350 to 550 ° C. for 10 to 1800 seconds at a heating rate of 35 to 45 ° C./min, which is sintered at the surface of the powder particles at a temperature lower than 350 ° C. This is because the unsintered portion is generated because the strength of the sintered compact is low, and the sintered compact is crumbly, and at a temperature higher than 550 ° C., it is difficult to produce a healthy sample by Te melting.

상기와 같이 방전 플라즈마 소결을 통해 제조된 소결체는 밀도 증가 및 결정립 성장 억제에 의해 미세 결정립을 가지며, 그에 따라 경도 등 기계적 특성이 우수함과 동시에 포논 산란에 의한 열전도도 감소로 열전성능이 향상된다.The sintered body manufactured through discharge plasma sintering as described above has fine grains by increasing density and suppressing grain growth, thereby improving thermoelectric performance by excellent mechanical properties such as hardness and reducing thermal conductivity by phonon scattering.

상술한 본 발명에 따른 Bi-Sb-Te계 열전재료의 제조방법에 의하면, 소결을 통해 열전재료를 제조하기 전에 통전 가열을 통해 열전 분말을 가열하는 열처리를 실시함으로써 열전재료의 결정립 크기를 제어하는 것이 가능하며, 그에 따라 기존 열전재료에 비해 우수한 성능지수(ZT)는 물론 향상된 기계적 물성까지 가지도록 결정립 크기가 최적화된 열전재료를 제조할 수 있다.According to the Bi-Sb-Te-based thermoelectric material manufacturing method according to the present invention, before the thermoelectric material is manufactured by sintering, the grain size of the thermoelectric material is controlled by performing a heat treatment to heat the thermoelectric powder through energizing heating. It is possible to manufacture a thermoelectric material having a grain size optimized to have an excellent mechanical index (ZT) as well as improved mechanical properties compared to conventional thermoelectric materials.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Embodiments according to the present disclosure may be modified in many different forms, and the scope of the present disclosure is not to be construed as limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more fully describe the present specification to those skilled in the art.

<실시예 1><Example 1>

1. 열전분말 설계1. Thermoelectric powder design

본 기술에서는 상온에서 뛰어난 열전성능을 나타내는 Bi2Te3계 열전재료를 이용하였으며, 조성은 P-type Bi0.5Sb1.5Te3 를 선정하였다.In this technology, Bi 2 Te 3 -based thermoelectric materials exhibiting excellent thermoelectric performance at room temperature were used, and the composition was selected as P-type Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 .

2. 열전분말 제조2. Thermopowder Manufacturing

분말 제조에 앞서 순도 99.99%(4N)의 Bi, Sb, Te 원소를 각각 측량하여 탄소 도가니에 장입한 후 고주파 유도로를 이용하여 P-type Bi0.5Sb1.5Te3 (이하 열전분말) 조성을 가진 용융합금을 제조하고, 제조된 합금을 이용하여 분말을 제조하였다.Prior to powder production, the Bi, Sb, and Te elements with a purity of 99.99% (4N) were measured and loaded into carbon crucibles, and then melted with a P-type Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 (hereinafter referred to as thermal starch powder) composition using a high frequency induction furnace. An alloy was prepared and a powder was prepared using the prepared alloy.

3. 통전 가열을 통한 열처리3. Heat treatment by energizing heating

진공분위기(10-3 torr) 내에서 10℃/min의 가열속도로 450℃까지 가열한 후 60분 동안 유지하는 통전 가열을 통한 열처리 공정을 실시하였다.In the vacuum atmosphere (10 -3 torr) was heated to 450 ℃ at a heating rate of 10 ℃ / min and then subjected to a heat treatment process through the energized heating maintained for 60 minutes.

4. 방전 플라즈마 소결을 통한 열전재료 소결체 제조4. Fabrication of Thermoelectric Sintered Body by Discharge Plasma Sintering

방전 플라즈마 소결법은 짧은 시간 내에 소결을 진행할 수 있으며 열적, 기계적, 전자적 에너지를 소결구동력으로 이용라고 있는 점이 큰 특징이다. 또한 ON-OFF 대 전류 펄스 통전 효과에 의한 물질 입자 간의 표면 확산 현상이 지배적인 프로세스이고, 이 반응성 급속 승온 소결 효과나 전계확산효과에 의해 치밀화 속도가 촉진되어 입자 성장을 억제하면서 분말의 미세조직을 그대로 유지할 수 있다는 이점이 있다. 본 실시예에서는 이러한 이점을 갖고 있는 방전 플라즈마 소결 공정을 이용해 소결체를 제조하였다.The discharge plasma sintering method can perform sintering in a short time and is characterized by using thermal, mechanical and electronic energy as the sintering driving force. In addition, the surface diffusion phenomenon between the particles due to the ON-OFF vs. the current pulse conduction effect is the dominant process, and the reactivity rapid heating sintering effect or the electric field diffusion effect promotes the densification rate and suppresses the growth of the microstructure of the powder. The advantage is that it can be kept intact. In this embodiment, a sintered body was manufactured using a discharge plasma sintering process having such an advantage.

소결체를 제조하기 위하여 외경 75φ, 내경 25φ, 높이 60mm의 원통형 몰드에 앞서 제조된 분말을 45g 장입 한 후 상부와 하부에 각각 흑연 펀치를 이용하여 장입 분말을 고정시켰다. 소결은 진공분위기(10-3 torr)내에서 진행되었으며, 50MPa 압력과 함께 50℃/min의 가열 속도로 400℃ 까지 온도를 가열하였으며 충분한 소결을 위해 10분간 유지하였다. 최종적으로 직경 25φ, 두께 약 12mm의 원기둥 형태의 소결체를 제조하였다.In order to prepare the sintered body, 45 g of the powder prepared before the cylindrical mold having an outer diameter of 75 mm, an inner diameter of 25 mm and a height of 60 mm was charged, and then the charged powder was fixed to the upper and lower portions by using a graphite punch. Sintering was carried out in a vacuum atmosphere (10 -3 torr), the temperature was heated to 400 ℃ at a heating rate of 50 ℃ / min with 50 MPa pressure and maintained for 10 minutes for sufficient sintering. Finally, a cylindrical sintered body having a diameter of 25 mm and a thickness of about 12 mm was prepared.

<실시예 2><Example 2>

통전 가열을 통한 열처리를 470℃에서 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 공정에 따라 소결체를 제조했다.A sintered body was manufactured according to the same process as in Example 1 except that the heat treatment was performed at 470 ° C.

<실시예 3><Example 3>

통전 가열을 통한 열처리를 500℃에서 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 공정에 따라 소결체를 제조했다.A sintered compact was manufactured according to the same process as in Example 1 except that the heat treatment was performed at 500 ° C.

<실시예 4><Example 4>

통전 가열을 통한 열처리를 530℃에서 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 공정에 따라 소결체를 제조했다.A sintered body was manufactured according to the same process as in Example 1 except that the heat treatment was performed at 530 ° C. through energization.

<실시예 5>Example 5

통전 가열을 통한 열처리를 550℃에서 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 공정에 따라 소결체를 제조했다.A sintered body was manufactured according to the same process as in Example 1 except that the heat treatment was performed at 550 ° C.

<비교예>Comparative Example

통전 가열을 통한 열처리를 실시하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 공정에 따라 소결체를 제조했다.A sintered body was manufactured according to the same process as in Example 1 except that the heat treatment was not performed by energizing heating.

<실험예>Experimental Example

도 1(a) 내지 도 1(c)는 각각 비교예, 실시예 2 및 실시예 5에서 제조된 소결체의 파단면을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 열처리 시간에 따라 소결체의 결정립 크기가 커지는 것을 확인할 수 있으며, 통전가압열처리를 통해 소결 체의 결정립을 제어하였음을 확인하였다.1 (a) to 1 (c) are scanning electron microscope (SEM) photographs showing fracture surfaces of the sintered bodies prepared in Comparative Examples, Examples 2 and 5, respectively. It can be seen that the grain size of the sintered body increases with the heat treatment time, and it was confirmed that the grains of the sintered body were controlled by energizing pressurized heat treatment.

도 2(a) 내지 도 2(c)는 각각 비교예 및 실시예 1 내지 5에서 제조된 열전재료 소결체의 제벡 계수, 전기전도도 및 출력인자(Power factor)를 비교한 그래프이다. 통전 열처리를 진행한 소결체의 제백계수는 기존 열전 소결체의 지벡계수에 비해 증가하였으며 450℃에서 열처리한 실시예 1의 소결체가 217.3㎶/K로 가장 높게 나타났다.2 (a) to 2 (c) are graphs comparing Seebeck coefficient, electrical conductivity and power factor of the thermoelectric material sintered bodies manufactured in Comparative Examples and Examples 1 to 5, respectively. The Seebeck coefficient of the sintered body subjected to the energizing heat treatment was increased compared to the Seebeck coefficient of the conventional thermoelectric sintered body, and the sintered body of Example 1, which was heat treated at 450 ° C., was the highest at 217.3 ㎶ / K.

또한 전기전도도도 기존 열전 소결체에 비해 통전열처리를 진행한 소결체에서 매우 높은 값을 나타내었고 통전열처리에 의해 P-type에서 운반자 역할을 하는 전자의 농도가 높아진 결과라고 사료된다. 530℃에서 열처리한 소결체가 1021.56/Ωm로 가장 높게 나타났다. 앞서 두 결과를 바탕으로 도출된 출력인자(Power factor)를 비교해본 결과 530℃에서 열처리하였을 때 가장 우수한 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다.In addition, the electrical conductivity was higher in the sintered body subjected to the conduction heat treatment than the conventional thermoelectric sintered body, and the concentration of electrons serving as a carrier in the P-type was increased by the conduction heat treatment. The sintered body heat-treated at 530 ° C was the highest at 1021.56 / mm. As a result of comparing the power factor derived based on the two results, it was confirmed that the heat treatment at 530 ℃ has the best value.

도 3은 본원 비교예 및 실시예 1 내지 5에서 제조된 열전재료 소결체의 열전도도를 나타낸 것이다. 열전도도는 열처리 온도에 따라 기존 열전 소결체보다 감소하다가 증가하는 경향을 나타냈다.Figure 3 shows the thermal conductivity of the thermoelectric material sintered body prepared in Comparative Examples and Examples 1 to 5. The thermal conductivity tended to decrease and increase with the heat treatment temperature compared with the conventional thermoelectric sintered body.

도 4에 도시한 바와 같이 앞의 결과를 바탕으로 ZT 값을 계산한 결과 통전 열처리를 진행한 열전소결체의 ZT가 모두 증가하였으며, 이는 높은 출력인자와 낮은 열전도도가 기인한 결과로 해석된다. 최종적으로 470℃에서 열처리하였을 때 가장 우수한 ZT 값 1.098을 갖으며, 이전보다 46% 좋아진 것을 확인하였다.As shown in FIG. 4, the ZT value was calculated based on the previous results. As a result, ZT of the thermoelectric sintered through the energizing heat treatment was increased, which is interpreted as a result of the high output factor and the low thermal conductivity. Finally, when the heat treatment at 470 ℃ has the best ZT value 1.098, it was confirmed that 46% better than before.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention belongs may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. You will understand that. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.

Claims (6)

(a) 진공 분위기 하에서의 통전 가열을 통해 Bi-Sb-Te계 열전 분말을 열처리하는 단계; 및
(b) 상기 단계 (a)에서 열처리한 분말을 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering, SPS)으로 소결해 Bi-Sb-Te계 열전재료 소결체를 제조하는 단계;를 포함하는 Bi-Sb-Te계 열전재료의 제조방법.
(a) heat-treating the Bi-Sb-Te-based thermoelectric powder by energizing heating in a vacuum atmosphere; And
(b) sintering the powder heat-treated in step (a) by spark plasma sintering (SPS) to produce a Bi-Sb-Te-based thermoelectric material sintered body, the Bi-Sb-Te-based thermoelectrics including Method of manufacturing the material.
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 상기 Bi-Sb-Te계 열전 분말은 Bi0.5Sb1.5Te2로 이루어진 것을 특징으로 하는 Bi-Sb-Te계 열전재료의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step (a), the Bi-Sb-Te-based thermoelectric powder is Bi 0.5 Sb 1.5 Te 2 , characterized in that the manufacturing method of Bi-Sb-Te-based thermoelectric material.
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 Bi-Sb-Te계 열전 분말을 진공 분위기 하에서 통전 가열해 400 ~ 550℃의 온도로 30 ~ 90분 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 Bi-Sb-Te계 열전재료의 제조방법.
The method of claim 1,
Bi-Sb-Te-based thermoelectric powder in the step (a) is energized and heated in a vacuum atmosphere to maintain for 30 to 90 minutes at a temperature of 400 ~ 550 ℃ Bi-Sb-Te based thermoelectric material manufacturing method .
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 Bi-Sb-Te계 열전 분말을 10-3 torr의 진공 분위기 하에서 10℃/min의 가열속도로 통전 가열해 470℃에서 60분 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 Bi-Sb-Te계 열전재료의 제조방법.
The method of claim 1,
In step (a), the Bi-Sb-Te-based thermoelectric powder is energized and heated at a heating rate of 10 ° C./min under a vacuum atmosphere of 10 −3 torr and maintained at 470 ° C. for 60 minutes. Te-based thermoelectric material manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서 350 ~ 550℃의 온도 및 30 ~ 80 MPa의 압력 하에서 방전 플라즈마 소결하는 것을 특징으로 하는 Bi-Sb-Te계 열전재료의 제조방법.
The method of claim 1,
Discharging plasma sintering at a temperature of 350 ~ 550 ℃ and a pressure of 30 ~ 80 MPa in the step (b) Bi-Sb-Te-based thermoelectric material manufacturing method.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 Bi-Sb-Te계 열전재료.Bi-Sb-Te type thermoelectric material manufactured by the method of any one of Claims 1-5.
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