KR20220068078A - Tetrahedrite-based thermoelectric materials and method for preparing the same - Google Patents

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KR20220068078A
KR20220068078A KR1020200155014A KR20200155014A KR20220068078A KR 20220068078 A KR20220068078 A KR 20220068078A KR 1020200155014 A KR1020200155014 A KR 1020200155014A KR 20200155014 A KR20200155014 A KR 20200155014A KR 20220068078 A KR20220068078 A KR 20220068078A
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이고은
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곽성규
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Abstract

The present invention provides a thermoelectric material with improved thermoelectric performance and a method of manufacturing the same. A thermoelectric material according to various embodiments of the present invention is a thermoelectric material in which Cu_(12)Sb_4S_(13) is doped with at least one selected from the group consisting of Ge, Si and Sn. In more detail, the thermoelectric material according to the present invention is Cu_(12)Sb_(4-y)M_yS_(13), where 0 < y <= 1.5, and M is at least one selected from the group consisting of Ge, Si and Sn. A method of manufacturing a thermoelectric material according to various embodiments of the present invention includes the steps of: preparing raw materials by weighing them according to the composition formula Cu_(12)Sb_(4-y)M_yS_(13) (where 0 < y <= 1.5, and M is at least one selected from the group consisting of Ge, Si and Sn); synthesizing a powder by mechanically alloying the prepared raw materials; and hot pressing (HP) the powder.

Description

테트라헤드라이트계 열전재료 및 그의 제조방법{Tetrahedrite-based thermoelectric materials and method for preparing the same}Tetrahedrite-based thermoelectric materials and method for preparing the same

본 발명은 테트라헤드라이트계 열전재료 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Ge, Si 또는 Sn이 도핑된 테트라헤드라이트계 열전재료 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tetrahedrite-based thermoelectric material and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a tetrahedrite-based thermoelectric material doped with Ge, Si or Sn, and a method for manufacturing the same.

열에너지와 전기에너지의 직접적인 변환이 가능한 열전변환기술이 유망한 친환경 에너지 시스템으로 부상하고 있다. 열전재료는 최대의 성능을 나타내는 온도 영역이 다르며, 상온 영역에서는 Bi-Te계, 중온 영역은 Pb-Te계, 스커트루다이트(skutterudite)계, 고온 영역에서는 Si-Ge계 재료가 우수한 것으로 알려져 있다. 그러나 대부분 독성의 중금속이나 매장량에 한계가 있는 희소원소로 이루어진 문제점이 있다. 이에 매장량이 풍부하고 값이 저렴하며, 상대적으로 가볍고 무독성인 Cu와 S로 이루어진 테트라헤드라이트(tetrahedrite) 화합물이 중온 영역의 유망한 p형 열전재료로 관심 받고 있다. 테트라헤드라이트가 주목 받는 주된 이유는 본래 낮은 열전도도를 나타내며, 대칭적 결정구조로 인한 높은 에너지 밴드 축퇴를 가져 출력인자 향상에 유용하기 때문이다.Thermoelectric conversion technology that can directly convert thermal energy and electric energy is emerging as a promising eco-friendly energy system. Thermoelectric materials have different temperature ranges that show maximum performance, and it is known that Bi-Te-based materials in the room temperature range, Pb-Te-based, skutterudite-based materials in the medium temperature range, and Si-Ge-based materials in the high temperature range are known to be excellent. . However, there is a problem that most of them consist of toxic heavy metals or rare elements with limited reserves. Accordingly, a tetrahedrite compound composed of Cu and S, which has abundant reserves, is inexpensive, and is relatively light and nontoxic, is attracting attention as a promising p-type thermoelectric material in the mesophilic region. The main reason why tetrahedrite is attracting attention is because it shows low thermal conductivity and has high energy band degeneracy due to its symmetrical crystal structure, so it is useful for improving the output factor.

열전성능지수 관계식, ZT = α2σκ-1T (α: 제벡계수, σ: 전기전도도, κ: 열전도도, T: 절대온도)에 따라 높은 ZT를 얻으려면 높은 출력인자(α2σ)와 낮은 열전도도가 필요하다. 그러나 제벡계수와 전기전도도는 캐리어 농도에 의존하는 trade-off 관계를 가지기 때문에, 일반적으로 도핑에 의한 캐리어 농도 최적화로 출력인자를 향상시킨다. 도핑하지 않은 테트라헤드라이트는 페르미 준위가 가전자대 내에 위치하여 높은 홀 농도를 가지는 것으로 알려져 있다. 따라서 2가 또는 3가의 전이금속을 Cu+ 자리에 치환하여 홀 농도 감소에 의한 전자 열전도도 억제 및 출력인자 최적화에 대한 연구결과가 많이 진행되었다. Heo 등은 높은 출력인자와 낮은 열전도도의 조화로 Mn이 치환된 Cu11MnSb4S13에서 ZT = 1.13 @ 575 K을 얻었고, Lu 등은 Cu11ZnSb4S13에서 ZT = 1 @ 720 K의 값을 발표한 바 있다.To obtain a high ZT according to the thermoelectric figure of merit relation, ZT = α 2 σκ -1 T (α: Seebeck coefficient, σ: electrical conductivity, κ: thermal conductivity, T: absolute temperature), a high output factor (α 2 σ) and Low thermal conductivity is required. However, since the Seebeck coefficient and the electrical conductivity have a trade-off relationship depending on the carrier concentration, the output factor is generally improved by optimizing the carrier concentration by doping. It is known that undoped tetrahedrite has a high hole concentration because the Fermi level is located in the valence band. Therefore, many research results have been conducted on the suppression of electron thermal conductivity and optimization of output factors by reducing the hole concentration by substituting a divalent or trivalent transition metal at the Cu + site. Heo et al. obtained ZT = 1.13 @ 575 K from Mn-substituted Cu 11 MnSb 4 S 13 with a combination of high output factor and low thermal conductivity, and Lu et al. obtained ZT = 1 @ 720 K in Cu 11 ZnSb 4 S 13 . values have been announced.

본 발명은 테트라헤드라이트에 Ge, Si 또는 Sn를 도핑하여 열전도도를 감소시키고 출력인자를 최적화하여, 열전 성능이 향상된 열전재료 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a thermoelectric material with improved thermoelectric performance and a method for manufacturing the same by doping Ge, Si or Sn to reduce thermal conductivity and optimize output factors by doping tetrahedrite.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전재료는 Cu12Sb4S13에 Ge, Si 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나가 도핑된 열전재료이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 열전재료는 Cu12Sb4 - yMyS13 이고, 여기서, 0 < y ≤ 1.5이고, M은 Ge, Si 및 Sn 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이다.A thermoelectric material according to various embodiments of the present disclosure is a thermoelectric material in which Cu 12 Sb 4 S 13 is doped with at least one selected from the group consisting of Ge, Si, and Sn. More specifically, the thermoelectric material of the present invention is Cu 12 Sb 4 -y M y S 13 , where 0 < y ≤ 1.5, and M is at least one selected from the group consisting of Ge, Si, and Sn.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전재료의 제조 방법은, 원료물질을 조성식 Cu12Sb4 - yMyS13 (여기서, 0 < y ≤1.5이고, M은 Ge, Si 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나)에 맞게 칭량하여 준비하는 단계; 준비된 원료물질을 기계적 합금화하여 분말을 합성하는 단계; 및 상기 분말을 열간 압축 성형(Hot Pressing, HP)하는 단계를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a thermoelectric material according to various embodiments of the present invention, the raw material is prepared by the composition formula Cu 12 Sb 4 - y M y S 13 (where 0 < y ≤ 1.5, and M is from the group consisting of Ge, Si and Sn Preparing by weighing according to the selected at least one); synthesizing powder by mechanically alloying the prepared raw material; and hot pressing (HP) the powder.

본 발명의 다양한 실시예에서는 열전성능이 향상된 열전재료 및 그 제조방법을 제공할 수 있다. Various embodiments of the present invention may provide a thermoelectric material with improved thermoelectric performance and a method for manufacturing the same.

본 발명의 일 실시예에 따르면 Ge이 도핑된 테트라헤드라이트인 Cu12Sb3.8Ge0.2S13의 경우 723 K에서 ZT = 0.74의 최댓값을 얻을 수 있고, Si 가 도핑된 테트라헤드라이트인 Cu12Sb3 . 8Si0 . 2S13 의 경우 723 K 에서 ZT = 0.63의 최댓값을 얻을 수 있고, Sn이 도핑된 테트라헤드라이트인 Cu12Sb3 . 9Sn0 . 1S13 의 경우 723 K에서 ZT = 0.66의 최댓값을 얻을 수 있다. According to an embodiment of the present invention, Ge is doped tetrahedrite. In the case of Cu 12 Sb 3.8 Ge 0.2 S 13 , a maximum value of ZT = 0.74 can be obtained at 723 K, and Cu 12 Sb 3 , a Si-doped tetrahedrite . 8 Si 0 . 2 For S 13 At 723 K, a maximum value of ZT = 0.63 can be obtained, and Sn-doped tetrahedrite Cu 12 Sb 3 . 9 Sn 0 . 1 S 13 In the case of , a maximum value of ZT = 0.66 can be obtained at 723 K.

본 발명의 제조 방법은 기계적 합금화와 열간 압축 성형을 이용함으로써 기존의 테트라헤드라이트계 화합물 제조를 위한 용해 공정에서 발생할 수 있는 원소 성분의 휘발과 도펀트의 편석을 방지할 수 있고 균질한 테트라헤드라이트 상을 합성할 수 있다. 또한, 높은 온도를 오랫동안 유지해야 하는 용해법에 비하여 제조단가를 낮추며, 공정 시간을 현저히 줄여 공정효율을 높임으로써 대량생산에 매우 적합하다. 또한, 상대적으로 빠른 시간 내에 고상합성으로 균질한 Cu12Sb4 - yMyS13 를 제조할 수 있어 효과적인 공정이다.The manufacturing method of the present invention can prevent volatilization of elemental components and segregation of dopants that may occur in the dissolution process for the conventional tetrahedrite-based compound production by using mechanical alloying and hot compression molding, and a homogeneous tetrahedrite phase can be synthesized. In addition, it is very suitable for mass production by lowering the manufacturing cost and remarkably reducing the process time to increase the process efficiency compared to the dissolution method in which a high temperature must be maintained for a long time. In addition, it is an effective process because it can produce homogeneous Cu 12 Sb 4 -y M y S 13 through solid-state synthesis within a relatively short time.

도 1은 실시예 1의 X선 회절 패턴을 나타낸다.
도 2는 실시예 1의 파단면을 관찰한 SEM 사진이다.
도 3은 Cu12Sb3 . 8Ge0 . 2S13 시편의 EDS 원소 맵핑 사진이다.
도 4는 실시예 1의 제벡 계수 그래프이다.
도 5는 실시예 1의 전기전도도 그래프이다.
도 6은 실시예 1의 출력인자(PF = α 2 σ)를 나타낸다.
도 7은 실시예 1의 열전도도를 나타낸다.
도 8은 실시예 1의 Lorenz number를 보여준다.
도 9는 실시예 1의 무차원 열전성능지수(ZT)를 나타낸다.
도 10은 실시예 2의 X선 회절 패턴을 나타낸다.
도 11는 실시예 2의 파단면을 관찰한 SEM 사진이다.
도 12은 Cu12Sb3 . 8Si0 . 2S13시편의 EDS 원소 맵핑 사진이다.
도 13는 실시예 2의 제벡 계수 그래프이다.
도 14는 실시예 2의 전기전도도 그래프이다.
도 15는 실시예 2의 출력인자(PF = α 2 σ)를 나타낸다.
도 16은 실시예 2의 열전도도를 나타낸다.
도 17은 실시예 2의 Lorenz number를 보여준다.
도 18은 실시예 2의 무차원 열전성능지수(ZT)를 나타낸다.
도 19는 실시예 3의 X선 회절 패턴을 나타낸다.
도 20은 실시예 3의 파단면을 관찰한 SEM 사진이다.
도 21은 Cu12Sb3 . 9Sn0 . 1S13시편의 EDS 원소 맵핑 사진이다.
도 22는 실시예 3의 전기전도도 그래프이다.
도 23은 실시예 3의 제벡 계수 그래프이다.
도 24는 실시예 3의 출력인자(PF = α 2 σ)를 나타낸다.
도 25는 실시예 3의 열전도도를 나타낸다.
도 26은 실시예 3의 Lorenz number를 보여준다.
도 27은 실시예 3의 무차원 열전성능지수(ZT)를 나타낸다.
1 shows the X-ray diffraction pattern of Example 1.
FIG. 2 is an SEM photograph of the fracture surface of Example 1. FIG.
Figure 3 is Cu 12 Sb 3 . 8 Ge 0 . 2 This is a picture of EDS element mapping of the S 13 specimen.
4 is a graph of the Seebeck coefficient of Example 1.
5 is a graph of electrical conductivity of Example 1.
6 shows an output factor (PF = α 2 σ ) of Example 1.
7 shows the thermal conductivity of Example 1.
8 shows the Lorenz number of Example 1.
9 shows the dimensionless thermoelectric figure of merit ( ZT ) of Example 1.
10 shows the X-ray diffraction pattern of Example 2.
11 is an SEM photograph of the fracture surface of Example 2. FIG.
12 is Cu 12 Sb 3 . 8 Si 0 . 2 This is a picture of EDS element mapping of the S 13 specimen.
13 is a graph of the Seebeck coefficient of Example 2.
14 is a graph of electrical conductivity of Example 2.
15 shows an output factor (PF = α 2 σ ) of Example 2.
16 shows the thermal conductivity of Example 2.
17 shows the Lorenz number of Example 2.
18 shows the dimensionless thermoelectric figure of merit ( ZT ) of Example 2.
19 shows the X-ray diffraction pattern of Example 3.
20 is an SEM photograph of the fracture surface of Example 3.
21 is Cu 12 Sb 3 . 9 Sn 0 . 1 This is an EDS element mapping picture of the S 13 specimen.
22 is an electrical conductivity graph of Example 3. FIG.
23 is a graph of the Seebeck coefficient of Example 3.
24 shows an output factor (PF = α 2 σ ) of Example 3.
25 shows the thermal conductivity of Example 3.
26 shows the Lorenz number of Example 3.
27 shows the dimensionless thermoelectric figure of merit ( ZT ) of Example 3.

이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings. The examples and terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to a specific embodiment, but it should be understood to cover various modifications, equivalents, and/or substitutions of the embodiments.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전재료는 Cu12Sb4S13에 Ge, Si 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나가 도핑된 열전재료이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 열전재료는 Cu12Sb4 - yMyS13 이고, 여기서, 0 < y ≤1.5이고, M은 Ge, Si 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이다.A thermoelectric material according to various embodiments of the present disclosure is a thermoelectric material in which Cu 12 Sb 4 S 13 is doped with at least one selected from the group consisting of Ge, Si, and Sn. More specifically, the thermoelectric material of the present invention is Cu 12 Sb 4 -y M y S 13 , where 0 < y ≤ 1.5, and M is at least one selected from the group consisting of Ge, Si, and Sn.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전재료는 Cu12Sb4 - yGeyS13이고, 여기서, y는 0.1, 0.2, 0.3 또는 0.4이다.The thermoelectric material according to various embodiments of the present invention is Cu 12 Sb 4 -y Ge y S 13 , where y is 0.1, 0.2, 0.3 or 0.4.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전재료는 Cu12Sb4 - ySiyS13 이고, 여기서, y는 0.1, 0.2, 0.3 또는 0.4이다.The thermoelectric material according to various embodiments of the present invention is Cu 12 Sb 4 -y Si y S 13 , where y is 0.1, 0.2, 0.3 or 0.4.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전재료는 Cu12Sb4 - ySnyS13이고, 여기서, y는 0.1, 0.2, 0.3 또는 0.4이다.The thermoelectric material according to various embodiments of the present invention is Cu 12 Sb 4 -y Sn y S 13 , where y is 0.1, 0.2, 0.3 or 0.4.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 열전도도를 감소시키고 출력인자를 최적화하여, 열전 성능이 향상된 열전재료를 제공할 수 있다.According to various embodiments of the present disclosure, it is possible to provide a thermoelectric material with improved thermoelectric performance by reducing thermal conductivity and optimizing an output factor.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전재료의 제조 방법은, 원료물질을 준비하는 단계; 준비된 원료물질을 기계적 합금화하여 분말을 합성하는 단계; 및 상기 분말을 열간 압축 성형(Hot Pressing, HP)하는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a thermoelectric material according to various embodiments of the present disclosure includes preparing a raw material; synthesizing powder by mechanically alloying the prepared raw material; and hot pressing (HP) the powder.

원료물질을 준비하는 단계에서, 원료물질을 조성식 Cu12Sb4 - yMyS13 (여기서, 0 < y ≤ 1.5이고, M은 Ge, Si 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나)에 맞게 칭량하여 준비할 수 있다. 이때, Cu는 입도가 45 μm 미만인 원소분말을 준비하고, Sb는 150 μm 미만인 원소분말을 준비하고, S는 75 μm 미만인 원소분말을 준비할 수 있다. 또한, Ge는 입도가 45 μm 미만인 원소분말을 준비하고, Si는 75 μm 미만인 원소분말을 준비하고, Sn는 35 μm 미만인 원소분말을 준비할 수 있다.In the step of preparing the raw material, the raw material is prepared according to the compositional formula Cu 12 Sb 4 - y M y S 13 (where 0 < y ≤ 1.5, and M is at least one selected from the group consisting of Ge, Si and Sn) It can be weighed and prepared. At this time, Cu may prepare an elemental powder having a particle size of less than 45 μm, Sb may prepare an elemental powder having a particle size of less than 150 μm, and S may prepare an elemental powder having a particle size of less than 75 μm. In addition, Ge may prepare an elemental powder having a particle size of less than 45 μm, Si may prepare an elemental powder having a particle size of less than 75 μm, and Sn may prepare an elemental powder having a particle size of less than 35 μm.

다음으로, 분말을 합성하는 단계에서는 상기 준비된 원료물질을 기계적 합금화 (mechanical alloying, MA) 할 수 있다. 준비된 혼합 분말과 직경이 4 내지 6 mm인 steel 볼을 1 : 15 내지 1 : 20의 비율로 혼합하여 볼 밀링할 수 있다. 구체적으로, 200 rpm 내지 2000 rpm으로 1 시간 내지 100 시간 동안 볼 밀링할 수 있다. 볼 밀링 속도가 200 rpm보다 작을 경우 Cu12Sb4 - yMyS13 상이 제대로 합성되지 않을 수 있고, 2000 rpm 보다 커질 경우 과잉의 에너지에 의해 상분해가 일어나거나 이차상이 형성될 수 있다. 한편, 볼 밀링 시간이 1시간 보다 짧을 경우 Cu12Sb4 - yMyS13 상이 제대로 합성되지 않을 수 있고, 100 시간 보다 길어질 경우 과잉의 에너지에 의해 상분해가 일어나거나 이차상이 형성될 수 있다. 바람직하게는, 350 rpm으로 22 시간 내지 26 시간 동안 볼 밀링할 수 있다.Next, in the step of synthesizing the powder, the prepared raw material may be mechanically alloyed (MA). The prepared mixed powder and a steel ball having a diameter of 4 to 6 mm can be mixed in a ratio of 1:15 to 1:20 for ball milling. Specifically, it may be ball milled at 200 rpm to 2000 rpm for 1 hour to 100 hours. Cu 12 Sb 4 - y M y S 13 for ball milling speed less than 200 rpm The phase may not be synthesized properly, and when it exceeds 2000 rpm, phase decomposition may occur or a secondary phase may be formed due to excessive energy. On the other hand, if the ball milling time is shorter than 1 hour, the Cu 12 Sb 4 -y M y S 13 phase may not be properly synthesized, and if it is longer than 100 hours, phase decomposition may occur or a secondary phase may be formed due to excessive energy. . Preferably, it can be ball milled at 350 rpm for 22 hours to 26 hours.

다음으로, 열간 압축 성형하는 단계는 473 K 내지 873 K의 온도범위와 상압 내지 100 MPa의 압력범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 이 범위보다 낮은 조건에서는 원하는 소결 결과를 얻을 수 없고, 범위보다 높은 조건에서는 제조비용이 높아질 수 있다. 한편, 바람직하게는, 열간 압축 성형(Hot Pressing, HP)으로 소결하는 경우, 523 K 내지 623 K의 온도범위에서 70 Mpa의 압력으로 소결할 수 있다. 더 바람직하게는 573 K 의 온도 및 70 Mpa의 압력으로 소결할 수 있다.Next, the hot compression molding is preferably performed in a temperature range of 473 K to 873 K and a pressure range of normal pressure to 100 MPa. At a condition lower than this range, a desired sintering result may not be obtained, and at a condition higher than this range, the manufacturing cost may increase. On the other hand, preferably, in the case of sintering by hot pressing (HP), it may be sintered at a pressure of 70 Mpa in a temperature range of 523 K to 623 K. More preferably, it may be sintered at a temperature of 573 K and a pressure of 70 Mpa.

본 발명의 제조 방법은 기계적 합금화와 열간 압축 성형을 이용함으로써 기존의 테트라헤드라이트계 화합물 제조를 위한 용해 공정에서 발생할 수 있는 원소 성분의 휘발과 도펀트의 편석을 방지할 수 있고 균질한 테트라헤드라이트 상을 합성할 수 있다. 또한, 높은 온도를 오랫동안 유지해야 하는 용해법에 비하여 제조단가를 낮추며, 공정 시간을 현저히 줄여 공정효율을 높임으로써 대량생산에 매우 적합하다. 또한, 상대적으로 빠른 시간 내에 고상합성으로 균질한 Cu12Sb4 - yMyS13 를 제조할 수 있어 효과적인 공정이다.The manufacturing method of the present invention can prevent volatilization of elemental components and segregation of dopants that may occur in the dissolution process for the conventional tetrahedrite-based compound production by using mechanical alloying and hot compression molding, and a homogeneous tetrahedrite phase can be synthesized. In addition, it is very suitable for mass production by lowering the manufacturing cost and remarkably reducing the process time to increase the process efficiency compared to the dissolution method in which a high temperature must be maintained for a long time. In addition, it is an effective process because it can produce homogeneous Cu 12 Sb 4 -y M y S 13 through solid-state synthesis within a relatively short time.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시예 1: Ge이 도핑된 테트라헤드라이트 CuExample 1: Tetrahedrite Cu Doped with Ge 1212 SbSb 4-y4-y GeGe yy SS 1313

Ge이 도핑된 tetrahedrite Cu12Sb4 - yGeyS13 (y = 0.1, 0.2, 0.3, 및 0.4)을 기계적 합금화 (MA)로 합성하였다. Cu (purity 99.9%, < 45 μm, Kojundo), Sb (purity 99.999%, < 150 μm, Kojundo), Ge (purity 99.99%, < 45 μm, Kojundo), S (purity 99.99%, < 75 μm, Kojundo)의 원소 분말들을 화학양론 조성의 비에 맞추어 정확히 칭량 후 직경 5 mm Stainless Steel Ball과 혼합분말의 중량 비 (Ball to Powder Ratio, BPR)을 20으로 맞추어 hardened Steel Jar에 넣었다. Jar 내부를 진공 상태로 만든 후 Ar 기체를 주입하고 planetary mill (Fritsch Pulverisette5)을 이용해 350 rpm의 회전속도로 24시간 기계적 합금화를 실시하였다. MA를 통한 합성이 완료된 분말을 내경 10 mm의 흑연 몰드에 장입 하여 진공 분위기에서 723 K의 온도와 70 MPa의 압력으로 2 시간 HP하여 소결하였다. 소결된 시편을 열전도도와 홀계수를 측정하기 위해 10 mm (직경) Х 1 mm (두께)의 디스크와 제백계수와 전기전도도를 측정하기 위해 3 mm (가로) Х 3 mm (세로) Х 9 mm (높이) 디스크를 절단 및 폴리싱하여 만들었다. Ge-doped tetrahedrite Cu 12 Sb 4 -y Ge y S 13 ( y = 0.1, 0.2, 0.3, and 0.4) was synthesized by mechanical alloying (MA). Cu (purity 99.9%, < 45 μm, Kojundo), Sb (purity 99.999%, < 150 μm, Kojundo), Ge (purity 99.99%, < 45 μm, Kojundo), S (purity 99.99%, < 75 μm, Kojundo) ) were accurately weighed according to the stoichiometric composition ratio, and the weight ratio (Ball to Powder Ratio, BPR) of the 5 mm diameter stainless steel ball and the mixed powder was set to 20 and put into the hardened steel jar. After making the inside of the jar in a vacuum state, Ar gas was injected, and mechanical alloying was performed for 24 hours using a planetary mill (Fritsch Pulverisette5) at a rotation speed of 350 rpm. The powder synthesized through MA was charged into a graphite mold with an inner diameter of 10 mm and sintered by HP at a temperature of 723 K and a pressure of 70 MPa in a vacuum atmosphere for 2 hours. The sintered specimen was subjected to a disk of 10 mm (diameter) Х 1 mm (thickness) to measure thermal conductivity and Hall modulus and 3 mm (horizontal) Х 3 mm (length) Х 9 mm ( height) by cutting and polishing the disc.

[실험예 1][Experimental Example 1]

실험방법Experimental method

Cu Kα radiation (λ = 0.15405 nm)을 사용한 X선 회절분석기 (XRD; Bruker D8-Advance)를 통해 소결된 시편의 상 분석 및 결정성을 확인하였다. 2θ = 10-90°의 회절각도에서 0.02 °의 step size와 0.4 sec/step의 scan speed로 측정하여 회절 패턴을 얻었다. Rietveld refinement (TOPAS)를 이용하여 격자상수를 계산하였다. Scanning electron microscope (SEM; FEI Quanta400)을 이용하여 소결된 시편의 파단면의 미세구조 관찰과 energy-dispersive spectrometer (EDS; Bruker Quantax200)을 이용하여 EDS원소에너지 레벨 각각 Cu-Lα (0.928 eV), Sb-Lα (3.604 eV), Ge-Lα (1.188 eV), S-Kα (2.309 eV)을 보이며 성분원소들을 분석하였다. 맵핑을 통해 원소들의 균질한 분포를 확인하였다. 소결체의 Hall 계수, 캐리어 농도 및 이동도는 van der Pauw (Keithley 7065) 방법을 이용해 상온에서 일정한 1 T의 자장과 100 mA의 전류를 인가하여 측정하였다. 323에서 723 K의 온도(T) 범위에서 Seebeck 계수(α)와 전기전도도(σ)를 He 분위기로 각각 온도미분법과 DC 4단자법을 사용하여 측정하였고 (Ulvac-Riko ZEM-3), 열전도도(κ)는 열확산도와 비열 그리고 밀도를 레이져 플레쉬법(Ulvac-Riko TC-9000H)으로 측정하여 최종적으로 모든 데이터들을 취합하여 출력인자(PF =

Figure pat00001
)와 무차원 성능지수(ZT = α2σκ-1T)를 평가하였다.Phase analysis and crystallinity of the sintered specimen were confirmed through X-ray diffraction analysis (XRD; Bruker D8-Advance) using Cu Kα radiation (λ = 0.15405 nm). A diffraction pattern was obtained by measuring at a diffraction angle of 2θ = 10-90° with a step size of 0.02° and a scan speed of 0.4 sec/step. The lattice constant was calculated using Rietveld refinement (TOPAS). The microstructure of the fracture surface of the sintered specimen was observed using a scanning electron microscope (SEM; FEI Quanta400) and EDS elemental energy levels were Cu-Lα (0.928 eV) and Sb, respectively, using an energy-dispersive spectrometer (EDS; Bruker Quantax200). -Lα (3.604 eV), Ge-Lα (1.188 eV), and S-Kα (2.309 eV) were analyzed and the constituent elements were analyzed. A homogeneous distribution of elements was confirmed through mapping. The Hall coefficient, carrier concentration and mobility of the sintered body were measured by applying a constant 1 T magnetic field and 100 mA current at room temperature using the van der Pauw (Keithley 7065) method. In the temperature (T) range of 323 to 723 K, Seebeck coefficient (α) and electrical conductivity (σ) were measured using the temperature differential method and DC 4-terminal method in He atmosphere, respectively (Ulvac-Riko ZEM-3), and the thermal conductivity (κ) is the output factor (PF =
Figure pat00001
) and dimensionless figure of merit (ZT = α 2 σκ -1 T) were evaluated.

실험예 1-1: 실시예 1의 X선 회절 패턴 분석Experimental Example 1-1: X-ray diffraction pattern analysis of Example 1

도 1은 실시예 1에 따른 Ge이 도핑된 테트라헤드라이트 Cu12Sb4 - yGeyS13의 Ge 함량에 따른 X선 회절 패턴을 나타낸다. 1 shows an X-ray diffraction pattern according to the Ge content of Ge-doped tetrahedrite Cu 12 Sb 4 -y Ge y S 13 according to Example 1. FIG.

모든 시편의 피크는 표준 회절자료(ICDD PDF#024-1318)와 일치하여 잔류원소와 이차상이 없는 tetrahedrite 단일상으로 나타났다.The peaks of all specimens were consistent with the standard diffraction data (ICDD PDF#024-1318), indicating that the tetrahedrite single phase was free of residual elements and secondary phases.

한편, Rietveld refinement를 통해 계산된 격자상수는 하기 표 1과 같다.Meanwhile, the lattice constants calculated through Rietveld refinement are shown in Table 1 below.

CompositionComposition Relative density
[%]
Relative density
[%]
Lattice constant
[nm]
Lattice constant
[nm]
Lorenz number
[10-8 V2K-2]
Lorenz number
[10 -8 V 2 K -2 ]
NominalNominal ActualActual Cu12Sb3.9Ge0.1S13 Cu 12 Sb 3.9 Ge 0.1 S 13 Cu12.89Sb3.83Ge0.12S12.15 Cu 12.89 Sb 3.83 Ge 0.12 S 12.15 99.399.3 1.03431.0343 1.741.74 Cu12Sb3.8Ge0.2S13 Cu 12 Sb 3.8 Ge 0.2 S 13 Cu12.42Sb3.72Ge0.20S12.64 Cu 12.42 Sb 3.72 Ge 0.20 S 12.64 100.0100.0 1.03391.0339 1.691.69 Cu12Sb3.7Ge0.3S13 Cu 12 Sb 3.7 Ge 0.3 S 13 Cu12.32Sb3.90Ge0.25S12.51 Cu 12.32 Sb 3.90 Ge 0.25 S 12.51 99.699.6 1.03371.0337 1.671.67 Cu12Sb3.6Ge0.4S13 Cu 12 Sb 3.6 Ge 0.4 S 13 Cu12.44Sb3.90Ge0.41S12.23 Cu 12.44 Sb 3.90 Ge 0.41 S 12.23 98.598.5 1.03341.0334 1.611.61

상기 표 1을 참고하면, 리트벨트 분석 결과 Ge의 함량이 증가할수록 격자상수는 1.0343 nm에서 1.0334 nm로 감소하였다. 이는 Ge4 + 의 이온반경 (39 pm) 이 Sb3+ 이온반경 (76 pm) 보다 더 작기 때문에 Ge의 함량이 증가할수록 격자 상수가 감소한 것으로 보인다. Referring to Table 1, as a result of Rietveld analysis, the lattice constant decreased from 1.0343 nm to 1.0334 nm as the Ge content increased. This means that the ionic radius (39 pm) of Ge 4+ is that of Sb 3+ Since it is smaller than the ionic radius (76 pm), it seems that the lattice constant decreases as the Ge content increases.

실험예 1-2: 실시예 1의 형태 및 조성 분석Experimental Example 1-2: Analysis of the shape and composition of Example 1

도 2는 소결된 Cu12Sb4 - yGeyS13시편의 파단면을 관찰한 SEM 사진이다. Ge 함량에 따른 미세조직의 차이는 관찰되지 않았으며 기공이 거의 없이 치밀하게 소결된 미세조직을 나타냈다. 한편, 상기 표 1에서와 같이 모든 시편은 98.5-100.0%의 높은 상대 밀도를 나타냈으며, 공칭 조성과 실제 조성은 유사하게 나타났으며 기계적 합금화를 이용한 합성으로 인해 성분원소의 휘발이 억제된 것으로 보인다. 도 3은 Cu12Sb3.8Ge0.2S13 시편의 EDS 원소 맵핑한 사진을 보여주는 것으로 모든 구성원소들이 균질하게 분포하였음을 확인하였다.Figure 2 is a sintered Cu 12 Sb 4 - y Ge y S 13 of the specimen This is an SEM picture of the fracture surface. The difference in microstructure according to the Ge content was not observed, and a densely sintered microstructure was exhibited with few pores. On the other hand, as shown in Table 1 above, all the specimens showed a high relative density of 98.5-100.0%, and the nominal composition and the actual composition were similar. . FIG. 3 shows a photograph of EDS element mapping of a Cu 12 Sb 3.8 Ge 0.2 S 13 specimen, confirming that all constituent elements were homogeneously distributed.

실험예 1-3: 실시예 1의 제백 계수 분석Experimental Example 1-3: Seebeck coefficient analysis of Example 1

도 4는 Cu12Sb4 - yGeyS13의 Ge 함량에 따른 제벡(Seebeck) 계수의 온도 의존성을 보여준다. 모든 시편에서 Hall 계수와 같이 양의 Seebeck 계수 값이 나타났으며, 이는 주된 캐리어가 홀(hole)인 p-type 반도체임을 나타낸다. p-type 반도체에서의 Seebeck계수는

Figure pat00002
= (8/3)ð 2 k B 2 m * Te -1 h - 2(ð/3n)2/3 (kB: Boltzmann constant, m*: effective carrier mass, e: electronic charge, h: Planck constant, n: carrier concentration)로 나타내어진다. y = 0.1-0.3의 경우, 온도가 증가함에 따라 Seebeck 계수가 증가하였지만 y = 0.4의 경우 온도가 증가함에 따라 Seebeck 계수가 감소하였다. 온도가 증가하면 p-type 반도체의 Seebeck 계수 값이 양의 방향으로 상승하다가 특정 온도 이상이 되면 진성 천이가 발생하여 carrier 농도가 급격히 증가하면서 Seebeck 계수는 감소하게 된다. 즉, 반도체의 온도가 증가할수록 Seebeck 계수가 특정 온도에서 최고 값을 보인 후 감소하게 된다. 본 실험예에서는 Cu12Sb3.6Ge0.4S13를 제외한 나머지 시편은 측정 온도 범위 안에서 진성 전이가 발생하지 않았으므로 온도 증가에 따라 Seebeck계수가 증가하였지만 Cu12Sb3 . 6Ge0 . 4S13의 경우 323 K이하의 온도에서 미리 진성 천이가 발생하게 되어 온도 증가에 따라 carrier 농도가 급격히 증가하여 Seebeck 계수는 감소하였다. 일정한 온도에서 Ge의 함량이 증가할수록 Seebeck 계수가 증가하였는데, 이는 캐리어 농도와 Seebeck 계수는 반비례 관계이므로 Ge의 함량이 증가할수록 주된 캐리어인 홀을 감소시켜 Seebeck 계수가 증가하였다. 본 실험예에서 Cu12Sb3 . 6Ge0 . 4S13의 경우 323-723 K온도 범위에서 251-224 μVK- 1으로 가장 높은 Seebeck 계수의 값을 나타내었다. 한편, 타 연구에 따르면 300-690 K의 온도 범위에서 도핑 하지 않은 Cu12Sb4S13는 105-140 μVK-1의 Seebeck 계수를 나타내었는데 본 실시예는 이보다 높은 값을 보였다. 또한, 타 연구에 따르면 Cu12Sb4 - yBiyS13 (y = 0.1-0.4)의 Cu12Sb3 . 9Bi0 . 1S13이 323-723 K에서 최대 154-187 μVK- 1를 나타내었고, Cu12Sb2 . 15Te1 . 85S13 의 시편은 300-700 K에서 최대 190-260 μVK-1을 나타낸 결과가 있어, Sb 자리에 Ge의 도핑은 테트라헤드라이트의 Seebeck 계수 증가에 매우 효과적임을 알 수 있다.4 shows the temperature dependence of the Seebeck coefficient according to the Ge content of Cu 12 Sb 4 -y Ge y S 13 . All specimens showed positive Seebeck coefficient values like Hall coefficients, indicating that the main carriers were p-type semiconductors with holes. Seebeck coefficient in p-type semiconductor is
Figure pat00002
= (8/3) ð 2 k B 2 m * Te -1 h - 2 ( ð /3 n ) 2/3 (k B : Boltzmann constant, m * : effective carrier mass, e: electronic charge, h: Planck constant, n: carrier concentration). In the case of y = 0.1-0.3, the Seebeck coefficient increased as the temperature increased, but in the case of y = 0.4, the Seebeck coefficient decreased as the temperature increased. When the temperature increases, the Seebeck coefficient value of the p-type semiconductor rises in the positive direction, but when it exceeds a certain temperature, an intrinsic transition occurs and the carrier concentration rapidly increases and the Seebeck coefficient decreases. That is, as the temperature of the semiconductor increases, the Seebeck coefficient shows the highest value at a specific temperature and then decreases. In this experimental example, except for Cu 12 Sb 3.6 Ge 0.4 S 13 , no intrinsic transition occurred within the measurement temperature range, so the Seebeck coefficient increased as the temperature increased, but Cu 12 Sb 3 . 6 Ge 0 . In the case of 4 S 13 , an intrinsic transition occurred in advance at a temperature below 323 K, and as the temperature increased, the carrier concentration rapidly increased and the Seebeck coefficient decreased. At a constant temperature, the Seebeck coefficient increased as the Ge content increased. This is because the carrier concentration and the Seebeck coefficient are in inverse proportion to each other. As the Ge content increased, the Seebeck coefficient increased by reducing the hole, the main carrier. In this experimental example, Cu 12 Sb 3 . 6 Ge 0 . 4 In the case of S 13 , it was 251-224 μVK - 1 in the 323-723 K temperature range, showing the highest Seebeck coefficient value. On the other hand, according to another study, undoped Cu 12 Sb 4 S 13 in the temperature range of 300-690 K showed a Seebeck coefficient of 105-140 μVK -1 , but this example showed a higher value than this. In addition, according to other studies, Cu 12 Sb 4 - y Bi y S 13 Cu 12 Sb 3 in (y = 0.1-0.4) . 9 Bi 0 . 1 S 13 exhibited a maximum of 154-187 μVK -1 at 323-723 K, and Cu 12 Sb 2 . 15 Te 1 . The specimen of 85 S 13 showed a maximum of 190-260 μVK -1 at 300-700 K, suggesting that doping of Ge at the Sb site is very effective in increasing the Seebeck coefficient of tetrahedrite.

실험예 1-4: 실시예 1의 전기전도도 분석Experimental Example 1-4: Electrical conductivity analysis of Example 1

도 5는 Cu12Sb4 - yGeyS13의 전기전도도에 대한 온도 의존성을 나타내었다. y = 0.1-0.3 시편의 경우 전기전도도는 온도가 증가함에 따라 증가하다가 623 K이상에서 미세하게 감소하였다. 이는 온도에 따라 tetrahedrite의 전기전도 특성이 비축퇴 반도체에서 금속성(축퇴 반도체)으로 전도 특성이 변화된 것으로 예상한다. y = 0.4 시편의 경우 측정 온도범위에서 비축퇴 반도체 거동을 유지하였다. 일정 온도에서는 Ge 함량이 증가함에 따라서 전기전도도가 감소하였다. 이는 Ge이 도핑됨으로써 추가된 전자로 인해 주된 캐리어인 홀의 감소로 전기전도도가 감소하였기 때문이다. 본 실험예에서는 Cu12Sb3 . 9Ge0 . 1S13이 323-723 K에서 (2.8-3.2) x 104 Sm-1로 가장 높은 값의 전기전도도를 얻었다. 5 shows the temperature dependence of the electrical conductivity of Cu 12 Sb 4 -y Ge y S 13 . In the case of y = 0.1-0.3 specimens, the electrical conductivity increased as the temperature increased, and then decreased slightly above 623 K. It is expected that the electrical conductivity of tetrahedrite is changed from non-degenerate semiconductor to metallic (degenerate semiconductor) according to temperature. In the case of the y = 0.4 specimen, the non-degenerate semiconductor behavior was maintained in the measurement temperature range. At a certain temperature, the electrical conductivity decreased as the Ge content increased. This is because the electrical conductivity is reduced due to the reduction of holes, which are the main carriers, due to electrons added by doping with Ge. In this experimental example, Cu 12 Sb 3 . 9 Ge 0 . 1 S 13 obtained the highest electrical conductivity at 323-723 K as (2.8-3.2) x 10 4 Sm -1 .

실험예 1-5: 실시예 1의 출력인자 분석Experimental Example 1-5: Analysis of output factors of Example 1

도 6은 Cu12Sb4 - yGeyS13의 출력인자(PF)에 대한 온도 의존성을 나타낸다. 출력인자는 PF =

Figure pat00003
의 식으로 나타내어지며, Seebeck 계수와 전기전도도에 비례하여 증가한다. 캐리어 농도는 전기전도도와 Seebeck 계수에 서로 반대의 영향을 주기 때문에 출력인자 값을 최대로 얻기 위해서는 최적의 캐리어 농도를 찾는 것이 요구된다. 측정 온도 범위 안에서는 온도가 증가함에 따라 출력 인자는 증가하였다. 이는 제백계수(도 4)와 전기전도도(도 5)의 온도 의존성의 결과이다. 일정 온도에서 Ge의 함량이 증가함에 따라서 출력인자는 감소하였다, 이는 Ge 도핑에 의한 Seebeck 계수의 증가 보다는 전기전도도의 감소 효과가 더 우세하였기 때문이다. Cu12Sb3.9Ge0.1S13시편은 가장 낮은 Seebeck 계수 값을 가졌음에도 불구하고, 가장 높은 전기전도도 값의 영향으로 인해 323-723 K의 온도 범위에서 가장 높은 출력인자 값인 0.38-0.87 mWm-1K-2을 얻어냈다. 6 shows the temperature dependence of Cu 12 Sb 4 -y Ge y S 13 on the output factor ( PF). The output factor is PF =
Figure pat00003
It is expressed by the formula, and it increases in proportion to the Seebeck coefficient and electrical conductivity. Since carrier concentration has opposite effects on electrical conductivity and Seebeck coefficient, it is required to find the optimal carrier concentration to obtain the maximum value of the output factor. Within the measurement temperature range, the output factor increased as the temperature increased. This is a result of the temperature dependence of the Seebeck coefficient (FIG. 4) and the electrical conductivity (FIG. 5). The output factor decreased as the content of Ge increased at a certain temperature, because the effect of decreasing the electrical conductivity was more dominant than the increase of the Seebeck coefficient by Ge doping. Although the Cu 12 Sb 3.9 Ge 0.1 S 13 specimen had the lowest Seebeck coefficient value, the highest output factor value in the temperature range of 323-723 K was 0.38-0.87 mWm -1 K due to the influence of the highest electrical conductivity value. -2 was obtained.

실험예 1-6: 실시예 1의 열전도도 분석Experimental Example 1-6: Thermal conductivity analysis of Example 1

도 7 (a) 은 Cu12Sb4 - yGeyS13의 열전도도의 온도 의존성을 나타낸 그래프이다. 온도가 상승하면 열전도도는 증가하다가 623 K 이후로 감소함을 보여주었다. 일정온도에서 Ge함량이 증가하면 열전도도가 감소하여, Cu12Sb3 . 6Ge0 . 4S13이 323-723 K에서 0.46-0.59 Wm-1K-1의 최소값을 보였다. 열전도도는 전자 열전도도(κE)와 격자 열전도도(κL)의 합이며, Wiedemann-Franz 법칙 (κE = LσT, L: Lorenz number)에 의해 전자 열전도도를 계산하였다. 여기서 Lorenz number [10-8 V2K- 2]는

Figure pat00004
식을 사용하여 계산하였다. 도 8과 같이 323-723 K에서 온도가 증가함에 따라 y = 0.1-0.3의 경우 Lorenz number가 감소하였지만, y = 0.4의 경우 온도가 증가함에 따라 약간 증가하였다. 일정 온도에서는 Ge 함량이 증가함에 따라 Lorenz number가 감소하였다. Lorenz number의 감소는 비축퇴 반도체의 거동을 의미한다. Cu12Sb3 . 6Ge0 . 4S13 시편의 경우 (1.61-1.64) x 10-8 V2K- 2으로 가장 낮은 값을 보였다. 7 ( a) is a graph showing the temperature dependence of the thermal conductivity of Cu 12 Sb 4 -y Ge y S 13 . As the temperature increased, the thermal conductivity increased and then decreased after 623 K. When the Ge content increases at a constant temperature, the thermal conductivity decreases, Cu 12 Sb 3 . 6 Ge 0 . 4 S 13 showed a minimum value of 0.46-0.59 Wm -1 K -1 at 323-723 K. Thermal conductivity is the sum of electronic thermal conductivity (κ E ) and lattice thermal conductivity (κ L ), and electronic thermal conductivity was calculated according to the Wiedemann-Franz law (κ E = LσT, L: Lorenz number). where Lorenz number [10 -8 V 2 K - 2 ] is
Figure pat00004
It was calculated using the formula. As shown in FIG. 8, as the temperature increased from 323-723 K, the Lorenz number decreased in the case of y = 0.1-0.3, but slightly increased as the temperature increased in the case of y = 0.4. At a constant temperature, the Lorenz number decreased as the Ge content increased. A decrease in the Lorenz number means the behavior of a non-degenerate semiconductor. Cu 12 Sb 3 . 6 Ge 0 . In the case of 4 S 13 specimen, (1.61-1.64) x 10 -8 V 2 K - 2 showed the lowest value.

도 7 (b) 와 같이 전자 열전도도는 온도가 증가함에 따라 증가하였지만, 도 7 (a) 의 전체 열전도도는 623 K에서 최대값을 보인 후 감소하였다. 이것은 온도 증가함에 따라 증가하는 전자 열전도도와 감소하려는 격자 열전도도의 경쟁으로 인한 결과이다. 전자 열전도도는 전기전도도(캐리어 농도)와 Lorenz number와의 관련이 있는 것으로 일정 온도에서 Ge 함량이 증가함에 따라 감소하는 경향과 일치하였으며, Cu12Sb3 . 6Ge0 . 4S13 시편의 경우 323-723 K에서 0.01-0.08 Wm-1K- 1으로 가장 낮은 전자 열전도도 값을 나타냈다. 본 실험예에서 격자 열전도도는 Ge 함량이 증가함에 따라 감소하였으며 Cu12Sb3 . 6Ge0 . 4S13시편의 경우 323-723 K에서 0.45-0.55 Wm-1K- 1으로 가장 낮은 값을 보여주었다. 이로 인해 도 7(a)와 같이 전체 열전도도가 0.46-0.59 Wm-1K-1으로 가장 낮은 값을 보여주었다. As shown in FIG. 7(b), the electronic thermal conductivity increased as the temperature increased, but the total thermal conductivity of FIG. 7(a) decreased after showing a maximum value at 623 K. This is a result of the competition between increasing electronic thermal conductivity and decreasing lattice thermal conductivity with increasing temperature. Electronic thermal conductivity is related to electrical conductivity (carrier concentration) and Lorenz number, and it coincides with the tendency to decrease with increasing Ge content at a certain temperature, Cu 12 Sb 3 . 6 Ge 0 . 4 In the case of the S13 specimen, the lowest value of electronic thermal conductivity was shown at 323-723 K , 0.01-0.08 Wm -1 K -1 . In this experimental example, the lattice thermal conductivity decreased as the Ge content increased, and Cu 12 Sb 3 . 6 Ge 0 . 4 In the case of the S13 specimen, the lowest value was shown at 323-723 K at 0.45-0.55 Wm -1 K -1 . For this reason, as shown in FIG. 7(a), the overall thermal conductivity showed the lowest value of 0.46-0.59 Wm -1 K -1 .

실험예 1-7: 실시예 1의 열전성능지수(ZT) 분석Experimental Example 1-7: Thermoelectric figure of merit (ZT) analysis of Example 1

도 9는 실시예 1에 따라 MA-HP 공정으로 제작한 Cu12Sb4 - yGeyS13 (y = 0.1-0.4)의 ZT와 Sb자리에 다른 원소(Te, Bi 및 S)를 도핑한 시편의 ZT값을 비교한 결과이다. Cu12Sb4 - yGeyS13은 온도가 증가할수록 모든 시편의 ZT 값은 증가하였다. 이는 온도 증가에 따른 출력인자의 증가와 낮은 열전도도의 유지의 결과이다. 일정온도에서는 Ge도핑함량이 증가함에 따라 높은 ZT값을 유지하였지만, y ≥ 0.3이상이면 ZT값이 감소하였다. 이는 Ge함량 증가에 따른 출력인자가 감소하였기 때문이다. 높은 출력인자 (0.77 mWm-1K- 2)와 낮은 열전도도 (0.73 Wm-1K- 1)의 영향으로 Cu12Sb3 . 8Ge0 . 2S13의 경우 723 K에서 가장 높은 ZT = 0.74을 보여주었다. 본 실시예에서의 기계적 합금화를 이용한 합성은 24시간의 비교적 짧은 시간으로 이후 추가적인 열처리 없이 단일상으로 합성할 수 있어 단시간에 견고하고 우수한 열전성능의 Ge이 도핑된 테트라헤트라이트를 제작할 수 있었다.Figure 9 is Cu 12 Sb 4 - y Ge y S 13 fabricated by the MA-HP process according to Example 1 This is the result of comparing the ZT value of (y = 0.1-0.4) and the ZT value of the specimen doped with other elements (Te, Bi, and S) at the Sb site. For Cu 12 Sb 4 - y Ge y S 13 , the ZT values of all specimens increased as the temperature increased. This is a result of the increase of the output factor according to the increase in temperature and the maintenance of low thermal conductivity. At a constant temperature, the high ZT value was maintained as the Ge doping content increased, but when y ≥ 0.3, the ZT value decreased. This is because the output factor decreased as the Ge content increased. Cu 12 Sb 3 , due to the high power factor (0.77 mWm -1 K - 2 ) and low thermal conductivity (0.73 Wm -1 K - 1 ) . 8 Ge 0 . 2 S 13 showed the highest ZT = 0.74 at 723 K. The synthesis using mechanical alloying in this example is a relatively short time of 24 hours, and since it can be synthesized in a single phase without additional heat treatment thereafter, it was possible to produce strong and excellent Ge-doped tetrahetrite in a short time with excellent thermoelectric performance.

실시예 2: Si이 도핑된 테트라헤드라이트 CuExample 2: Si Doped Tetrahedrite Cu 1212 SbSb 4-y4-y SiSi yy SS 1313

Si 를 도핑한 Tetrahedrite Cu12Sb4 - ySiyS13 (y = 0.1, 0.2, 0.3, 및 0.4)를 MA로 합성하였다. 분말 상태의 원소 Cu (purity 99.9%, < 45 ㎛, Kojundo), Sb (purity 99.999%, < 150 ㎛ Kojundo), Si (purity 99.99% < 75 ㎛, Kojundo), S (purity 99.99%, < 75 ㎛, Kojundo) 를 화학양론의 비에 맞게 칭량한 후 원료분말과 볼의 무게 비율은 20으로 하여 5mm STS ball 과 hardened steel jar 로 planetary mill(Fritsch Pulverisette5) 을 이용해 회전속도 350 rpm 으로 24시간 기계적 합금화를 실시하였다. 얻어진 분말을 내경 10 mm의 흑연 몰드에 장입하여 723 K의 온도에서 70 MPa의 압력으로 2시간 Hot pressing 하였다. Si-doped Tetrahedrite Cu 12 Sb 4 - y Si y S 13 (y = 0.1, 0.2, 0.3, and 0.4) was synthesized with MA. Powdered elements Cu (purity 99.9%, < 45 μm, Kojundo), Sb (purity 99.999%, < 150 μm Kojundo), Si (purity 99.99% < 75 μm, Kojundo), S (purity 99.99%, < 75 μm) , Kojundo) was weighed according to the stoichiometric ratio, and the weight ratio of the raw material powder to the balls was 20, and mechanical alloying was performed for 24 hours at a rotation speed of 350 rpm using a 5mm STS ball and a hardened steel jar using a planetary mill (Fritsch Pulverisette5). carried out. The obtained powder was charged into a graphite mold having an inner diameter of 10 mm, and hot pressing was performed at a temperature of 723 K and a pressure of 70 MPa for 2 hours.

[실험예 2][Experimental Example 2]

실험예 2-1: 실시예 2의 X선 회절 패턴 분석Experimental Example 2-1: X-ray diffraction pattern analysis of Example 2

도 10은 MA-HP방법으로 제작된 Cu12Sb4 - ySiyS13소결체의 X 선 회절분석 결과이다. 테트라헤드라이트 상이 성공적으로 합성 되었고, Cu-Sb-S 또는 Cu-S 계 이차상은 생성되지 않았다. 그러나, Si 함량 y ≥ 0.3 인 시편에서 Si 잔류원소가 나타났다. 10 is an X-ray diffraction analysis result of a Cu 12 Sb 4 -y Si y S 13 sintered body manufactured by the MA-HP method. The tetrahedrite phase was successfully synthesized, and no Cu-Sb-S or Cu-S-based secondary phase was produced. However, Si residual elements appeared in the specimens with Si content y ≥ 0.3.

한편, Rietveld refinement를 통해 계산된 격자상수는 하기 표 2와 같다. Meanwhile, the lattice constants calculated through Rietveld refinement are shown in Table 2 below.

CompositionComposition Relative density
[%]
Relative density
[%]
Lattice constant
[nm]
Lattice constant
[nm]
Lorenz number
[10-8 V2K-2]
Lorenz number
[10 -8 V 2 K -2 ]
NominalNominal ActualActual Cu12Sb3.9Si0.1S13 Cu 12 Sb 3.9 Si 0.1 S 13 Cu12.50Sb3.82Si0.10S12.57 Cu 12.50 Sb 3.82 Si 0.10 S 12.57 100.0100.0 1.03571.0357 1.861.86 Cu12Sb3.8Si0.2S13 Cu 12 Sb 3.8 Si 0.2 S 13 Cu13.05Sb3.78Si0.22S11.93 Cu 13.05 Sb 3.78 Si 0.22 S 11.93 99.199.1 1.03371.0337 1.851.85 Cu12Sb3.7Si0.3S13 Cu 12 Sb 3.7 Si 0.3 S 13 Cu13.22Sb3.55Si0.32S11.89 Cu 13.22 Sb 3.55 Si 0.32 S 11.89 98.998.9 1.03371.0337 1.811.81 Cu12Sb3.6Si0.4S13 Cu 12 Sb 3.6 Si 0.4 S 13 Cu12.55Sb3.59Si0.39S12.46 Cu 12.55 Sb 3.59 Si 0.39 S 12.46 100.0100.0 1.03361.0336 1.811.81

상기 표 2를 참고하면, Rietveld refinement(TOPAS Program)로 계산된 격자상수는 Si 함량이 증가할수록 1.0357에서 1.0336 nm으로 감소하였다. 이는 크기가 큰 이온반경을 가진 Sb3 + (76 pm)에서 크기가 작은 Si4 + (26 pm)이 부분 치환되며 격자 상수가 감소한 것으로 보인다. y ≥ 0.3 인 경우 격자상수의 변화가 거의 없고, Si 잔류로 보아 Sb 자리에 대한 고용한계로 판단된다.Referring to Table 2, the lattice constant calculated by Rietveld refinement (TOPAS Program) decreased from 1.0357 to 1.0336 nm as the Si content increased. It seems that the lattice constant decreased due to partial substitution of small Si 4 + (26 pm) in Sb 3 + (76 pm) with a large ionic radius. In the case of y ≥ 0.3, there is little change in the lattice constant, and it is judged as a solid solution limit for the Sb site, judging from the Si residue.

실험예 2-2: 실시예 2의 형태 및 조성 분석Experimental Example 2-2: Analysis of the shape and composition of Example 2

도 11은 소결된 시편의 파단면을 관찰한 SEM 이미지이다. Si함량에 따라 미세조직의 차이는 관찰되지 않았고, 기공이 거의 없이 치밀하게 소결된 것을 확인하였다. 상기 표 2와 같이 98.9-100.0 % 의 높은 상대밀도를 나타냈으며, 공칭 조성과 실제 조성이 유사하게 나타났다. 도 12는 Cu12Sb3 . 8Si0 . 2S13시편의 EDS 원소 맵핑 이미지이며, 모든 구성 원소들이 균일하게 분포한 것을 확인하였다. 따라서 고상 합성 공정으로 사용한 MA-HP 과정에서 성분 원소의 휘발을 억제하였고 균질한 Tetrahedrite 상을 합성 및 성형할 수 있었다.11 is an SEM image of observing the fracture surface of the sintered specimen. The difference in microstructure was not observed according to the Si content, and it was confirmed that the microstructure was densely sintered with few pores. As shown in Table 2, a high relative density of 98.9-100.0% was shown, and the nominal composition and the actual composition were similar. 12 is Cu 12 Sb 3 . 8 Si 0 . 2 This is an EDS element mapping image of the S 13 specimen, and it was confirmed that all constituent elements were uniformly distributed. Therefore, in the MA-HP process used as a solid-phase synthesis process, volatilization of component elements was suppressed, and a homogeneous Tetrahedrite phase could be synthesized and molded.

실험예 2-3: 실시예 2의 제백 계수 분석Experimental Example 2-3: Seebeck coefficient analysis of Example 2

323-723K의 온도 범위에서 열전특성을 측정하였다. 도 13은 Cu12Sb4 - ySiyS13의 Seebeck 계수(

Figure pat00005
)를 나타낸다. 모든 시편에서 양의 Seebeck 계수 값이 나타났으며, 이는 주된 캐리어가 홀(hole)인 p-type 반도체임을 의미한다. 723 K까지 온도가 증가할 수록 Seebeck 계수는 증가하였고 Si이 도핑된 Tetrahedrite의 진성천이 온도는 723 K 보다 훨씬 높은 것으로 판단된다. 진성 천이가 발생하면 캐리어 농도가 급격히 증가하여 Seebeck 계수가 감소하기 때문이다. 일정 온도에서 Si 함량이 증가할수록 Seebeck 계수가 증가하였다. 323-623 K의 온도범위에서는 Cu12Sb3 . 6Si0 . 4S13의 시편이 136-169 μVK- 1 의 Seebeck 계수 값을 얻었고 723K 에서는 Cu12Sb3 . 7Si0 . 3S13에서 178 μVK-1으로 가장 높은 Seebeck 계수값을 나타내었다. Thermoelectric properties were measured in a temperature range of 323-723K. 13 is a Seebeck coefficient of Cu 12 Sb 4 -y Si y S 13 (
Figure pat00005
) is indicated. All specimens showed positive Seebeck coefficient values, indicating that the predominant carriers were p-type semiconductors with holes. As the temperature increased up to 723 K, the Seebeck coefficient increased. This is because, when an intrinsic transition occurs, the carrier concentration increases rapidly and the Seebeck coefficient decreases. As the Si content increased at a constant temperature, the Seebeck coefficient increased. In the temperature range of 323-623 K, Cu 12 Sb 3 . 6 Si 0 . 4 The specimen of S 13 obtained Seebeck coefficient values of 136-169 μVK - 1 and Cu 12 Sb 3 at 723K . 7 Si 0 . 3 S 13 showed the highest Seebeck coefficient value of 178 μVK -1 .

실험예 2-4: 실시예 2의 전기전도도 분석Experimental Example 2-4: Electrical conductivity analysis of Example 2

도 14는 Cu12Sb4 - ySiyS13 전기전도도(σ)의 온도의존성을 나타냈다. Si 함량 y ≥ 0.2 인 시편에서 온도에 따라 전기 전도도가 증가하다가 623 K 에서 peak value를 보인 후 미세하게 감소하였고, 비축퇴 반도체에서 축퇴 반도체(금속성)로 전이 특성을 나타내는 것을 의미한다. 그러나 y ≥ 0.3 인 시편에서는 전기전도도가 온도에 따라 증가하는 비축퇴 반도체 거동을 보였다. 일정 온도에서 Si 함량이 증가할수록 전기전도도가 감소하였다. Cu12Sb3 . 9Si0 . 1S13 의 시편이 323-723K 의 온도범위에서 (2.8-3.5)Х104 Sm-1로 가장 높은 전기전도도 값을 얻었다. 14 is Cu 12 Sb 4 - y Si y S 13 of The temperature dependence of electrical conductivity (σ) was shown. In the specimen with Si content y ≥ 0.2, the electrical conductivity increased with temperature, then showed a peak value at 623 K and then decreased slightly, indicating a transition characteristic from a non-degenerate semiconductor to a degenerate semiconductor (metallic). However, in the specimen with y ≥ 0.3, non-degenerate semiconductor behavior was observed in which the electrical conductivity increased with temperature. As the Si content increased at a constant temperature, the electrical conductivity decreased. Cu 12 Sb 3 . 9 Si 0 . The specimen of 1 S 13 obtained the highest electrical conductivity value as (2.8-3.5)Х10 4 Sm -1 in the temperature range of 323-723K.

실험예 2-5: 실시예 2의 출력인자 분석Experimental Example 2-5: Analysis of output factors of Example 2

Cu12Sb4 - ySiyS13 의 출력인자를 도 15에 나타내었다. 출력인자는 PF = α2σ로 계산되며 Seebeck 계수와 전기전도도에 비례한다. 그러나 Seebeck 계수는 캐리어 농도에 반비례하고 전기전도도는 캐리어 농도에 비례하므로, 출력인자는 이 두가지 parameter에 상호 보완적인 관계가 있다. 온도가 상승하면 출력인자가 증가하였다. 이것은 Seebeck 계수와 전기전도도의 온도 의존성의 결과이다. 일정 온도에서 Si 함량이 증가하면 출력인자가 감소하는 경향(특히 고온에서)을 보였다. 이것은 Si 도핑에 의한 Seebeck 계수의 증가보다 전기전도도의 감소가 출력인자 감소에 지배적이었다는 것을 의미한다. Cu12Sb3 . 9Si0 . 1S13 시편의 경우 Seebeck 계수는 가장 낮은 값을 가졌지만 가장 높은 전기전도도 값의 영향으로 723 K 에서 0.86 mWm-1K- 2 의 최대 출력인자 값을 나타내었다. Cu 12 Sb 4 - y Si y S 13 The output factors of are shown in FIG. 15 . The output factor is calculated as PF = α 2 σ and is proportional to the Seebeck coefficient and electrical conductivity. However, since the Seebeck coefficient is inversely proportional to the carrier concentration and the electrical conductivity is proportional to the carrier concentration, the output factor has a complementary relationship to these two parameters. As the temperature increased, the output factor increased. This is a result of the temperature dependence of the Seebeck coefficient and electrical conductivity. When the Si content was increased at a certain temperature, the output factors tended to decrease (especially at high temperatures). This means that the decrease in electrical conductivity was more dominant in the decrease in the output factor than the increase in Seebeck coefficient by Si doping. Cu 12 Sb 3 . 9 Si 0 . In the case of 1 S 13 specimen, the Seebeck coefficient had the lowest value, but due to the influence of the highest electrical conductivity value, the maximum output factor value was 0.86 mWm -1 K -2 at 723 K.

실험예 2-6: 실시예 2의 열전도도 분석Experimental Example 2-6: Thermal conductivity analysis of Example 2

도 16은 Cu12Sb4 - ySiyS13 의 열전도도(κ)를 나타낸 그래프이다. 열전도도는 전자 열전도도(κE)와 격자 열전도도(κL)의 합으로 나타내며, 전자 열전도도는 Wiedemann-Franz 법칙 (κE = LσT, L: Lorenz number) 에 의해 계산하였고, Lorenz number 는 L[10-8 V2K-2] = 1.5 + exp(-│σ│/116)식을 사용하여 계산하였다. 도 16의 (b)와 같이 전자 열전도도는 Si함량이 증가할수록 감소했으며, 온도의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였지만 격자 열전도도는 Si 함량과 온도 의존성의 특정한 경향 없이 323-723 K 에서 0.54-0.72 Wm-1K-1을 나타내었다. 도 16의 (a)와 같이 전체 열전도도는 y ≤ 0.3 인 시편에서는 623 K 에서 최대값을, y = 0.4 인 시편에서는 온도의 증가에 따라서 증가하였다. 따라서 723 K에서 제외하고 일정온도에서 Si 함량이 증가하면 전체 열전도도가 감소하였다. Cu12Sb3 . 6Si0 . 4S13의 시편이323-623 K 의 온도범위에서 0.74-0.92 Wm-1K- 1 의 최소 열전도도를 나타냈으며, 723 K 에서 Cu12Sb3 . 7Si0 . 3S13 이 가장 낮은 열전도도인 0.85 Wm-1K-1 를 나타내었다. 16 is Cu 12 Sb 4 - y Si y S 13 It is a graph showing the thermal conductivity (κ) of . Thermal conductivity is expressed as the sum of electronic thermal conductivity (κ E ) and lattice thermal conductivity (κ L ), and electronic thermal conductivity was calculated according to Wiedemann-Franz law (κ E = LσT, L: Lorenz number), and Lorenz number is It was calculated using the formula L[10 -8 V 2 K -2 ] = 1.5 + exp(-│σ│/116). As shown in (b) of FIG. 16 , the electronic thermal conductivity decreased as the Si content increased, and showed a tendency to increase as the temperature increased, but the lattice thermal conductivity was 0.54-at 323-723 K without a specific tendency of the Si content and temperature dependence. 0.72 Wm -1 K -1 was shown. As shown in (a) of FIG. 16 , the total thermal conductivity increased with an increase in temperature in the specimen with y ≤ 0.3 at 623 K, and in the specimen with y = 0.4. Therefore, except at 723 K, when the Si content increased at a certain temperature, the overall thermal conductivity decreased. Cu 12 Sb 3 . 6 Si 0 . The specimen of 4 S 13 showed a minimum thermal conductivity of 0.74-0.92 Wm -1 K -1 in the temperature range of 323-623 K, and Cu 12 Sb 3 at 723 K. 7 Si 0 . 3 S 13 showed the lowest thermal conductivity of 0.85 Wm -1 K -1 .

도 17은 Cu12Sb4 - ySiyS13 의 Lorenz number의 온도의존성을 나타내었다. 모든 시편에서 온도가 상승할수록 Lorenz number는 감소하였고, 일정온도에서 Si 함량이 증가하면 Lorenz number가 감소하였다. Lorenz number는 이론적으로 (1.45-2.44) × 10-8 V2K-2의 범위를 가지며, 값이 작을수록 비축퇴 반도체 거동을 의미한다. 도 17 및 표 2와 같이 Si 도핑 Tetrahedrite의 Lorenz number는 323 K에서 (1.81-1.86) × 10-8 V2K-2를 보였다. 17 is Cu 12 Sb 4 - y Si y S 13 The temperature dependence of the Lorenz number of In all specimens, the Lorenz number decreased as the temperature increased, and the Lorenz number decreased when the Si content increased at a constant temperature. Lorenz number theoretically has a range of (1.45-2.44) × 10 -8 V 2 K -2 , and the smaller the value, the more non-degenerate semiconductor behavior. As shown in FIG. 17 and Table 2, the Lorenz number of Si-doped Tetrahedrite was (1.81-1.86) × 10 -8 V 2 K -2 at 323 K.

실험예 2-7: 실시예 2의 열전성능지수(ZT) 분석Experimental Example 2-7: Thermoelectric figure of merit (ZT) analysis of Example 2

도 18은 Cu12Sb4 - ySiyS13의 무차원 성능지수(ZT = α2σTκ- 1)를 나타낸다. 출력인자의 증가와 낮은 열전도도의 유지로 인해 온도가 증가할수록 ZT 값은 증가하였다. Si 도핑 함량에 따른 ZT의 변화는 크지 않았지만, y ≥ 0.3인 경우 고온에서 ZT가 감소하였다. 상대적으로 낮은 열전도도 (0.90 Wm-1K-1) 와 높은 출력인자값 (0.79 mWm-1K-2) 을 나타낸 Cu12Sb3 . 8Si0 . 2S13 시편의 경우 723 K 에서 ZT = 0.63의 최대 무차원 성능지수를 얻었다. 본 실시예를 통해 As, Te, Bi와 같은 독성이면서 희귀 원소를 사용하지 않은 Si 도핑된 테트라하이드라이트를 기계적 합금화와 열간 압축 성형을 이용한 방법을 통해 상대적으로 빠른 시간 내에 고상합성·성형을 할 수 있는 유용한 공정임을 확인하였다.18 shows the dimensionless figure of merit (ZT = α 2 σTκ - 1 ) of Cu 12 Sb 4 -y Si y S 13 . Due to the increase of the output factor and the maintenance of low thermal conductivity, the ZT value increased as the temperature increased. The change in ZT according to the Si doping content was not large, but when y ≥ 0.3, ZT decreased at high temperature. Cu 12 Sb 3 showing relatively low thermal conductivity (0.90 Wm -1 K -1 ) and high power factor (0.79 mWm -1 K -2 ) . 8 Si 0 . 2 For the S13 specimen, the maximum dimensionless figure of merit of ZT = 0.63 was obtained at 723 K. Through this embodiment, Si-doped tetrahydrite that does not use toxic and rare elements such as As, Te, and Bi can be synthesized and molded in a relatively short time through a method using mechanical alloying and hot compression molding. It was confirmed that there is a useful process.

실시예 3: Sn이 도핑된 테트라헤드라이트 CuExample 3: Sn-doped tetrahedrite Cu 1212 SbSb yy SnSn 4-y4-y SS 1313

Sn이 도핑된 테트라헤드라이트 Cu12SbySn4 - yS13 (y = 0.1, 0.2, 0.3 및 0.4)을 기계적 합금화를 이용해 합성하였다. 원료 분말 Cu (순도99.9%, < 45㎛, Kojundo), Sb (순도99.999%, < 150㎛, Kojundo), Sn (순도99.999%, < 35㎛, Kojundo), S (순도99.99%, < 75㎛, Kojundo) 을 화학 조성에 맞게 칭량한 뒤, 분말과 볼의 무게 비율(BPR)을 20으로 하고 직경 5 mm STS ball과 STS jar로 Ar 분위기에서 planetary mill (Fritsch Pulverisette5)을 이용해 350 rpm의 회전속도로 24시간 기계적 합금화를 실시하였다. 합성된 분말을 흑연 몰드(내경 10 mm)에 장입 하여 723 K 에서 2 h 동안 70MPa 의 압력으로 진공 열간압축 성형(HP)하였다.Sn-doped tetrahedrite Cu 12 Sb y Sn 4 - y S 13 (y = 0.1, 0.2, 0.3 and 0.4) were synthesized using mechanical alloying. Raw material powder Cu (purity 99.9%, < 45㎛, Kojundo), Sb (purity 99.999%, < 150㎛, Kojundo), Sn (Purity 99.999%, < 35㎛, Kojundo), S (purity 99.99%, < 75㎛) , Kojundo) was weighed according to the chemical composition, and the weight ratio (BPR) of the powder to the ball was set to 20, and a 5 mm diameter STS ball and STS jar were used in an Ar atmosphere using a planetary mill (Fritsch Pulverisette5) at a rotation speed of 350 rpm. was subjected to mechanical alloying for 24 hours. The synthesized powder was charged into a graphite mold (inner diameter 10 mm) and vacuum hot compression molding (HP) was performed at 723 K for 2 h at a pressure of 70 MPa.

[실험예 3][Experimental Example 3]

실험예 3-1: 실시예 3의 X선 회절 패턴 분석Experimental Example 3-1: X-ray diffraction pattern analysis of Example 3

기계적 합금화와 열간 압축성형으로 제작된 Cu12Sb4 - ySnyS13 (y = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)의 X 선 회절분석 결과를 도 19에 나타냈다. 도핑함량에 따른 상변화는 관찰되지 않았고 이차상이 없는 테트라헤드라이트 단일상(ICDD PDF#024-1318)으로 나타났다. The results of X-ray diffraction analysis of Cu 12 Sb 4 -y Sn y S 13 ( y = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4) produced by mechanical alloying and hot compression molding are shown in FIG. 19 . No phase change according to the doping content was observed and it appeared as a tetrahedrite single phase without secondary phase (ICDD PDF#024-1318).

한편, Rietveld refinement를 통해 계산된 격자상수는 하기 표 3과 같다.Meanwhile, the lattice constants calculated through Rietveld refinement are shown in Table 3 below.

CompositionComposition Relative
density
[%]
Relative
density
[%]
Lattice
constant
[nm]
Lattice
constant
[nm]
Lorenz number
[10-8 V2K-2]
Lorenz number
[10 -8 V 2 K -2 ]
NominalNominal ActualActual Cu12Sb3.9Sn0.1S13 Cu 12 Sb 3.9 Sn 0.1 S 13 Cu13.59Sb3.07Sn0.10S12.39 Cu 13.59 Sb 3.07 Sn 0.10 S 12.39 99.999.9 1.03481.0348 1.821.82 Cu12Sb3.8Sn0.2S13 Cu 12 Sb 3.8 Sn 0.2 S 13 Cu12.97Sb2.81Sn0.20S13.01 Cu 12.97 Sb 2.81 Sn 0.20 S 13.01 100.0100.0 1.03591.0359 1.791.79 Cu12Sb3.7Sn0.3S13 Cu 12 Sb 3.7 Sn 0.3 S 13 Cu13.48Sb2.68Sn0.31S12.53 Cu 13.48 Sb 2.68 Sn 0.31 S 12.53 99.599.5 1.03571.0357 1.731.73 Cu12Sb3.6Sn0.4S13 Cu 12 Sb 3.6 Sn 0.4 S 13 Cu13.00Sb2.57Sn0.39S13.04 Cu 13.00 Sb 2.57 Sn 0.39 S 13.04 99.799.7 1.03641.0364 1.591.59

상기 표 3에 나타난 Cu12Sb4 - ySnyS13의 격자 상수는 Sn 함량이 증가 할수록 1.0348 에서 1.0364 nm 로 증가하였다. 이전 연구에 따르면, Sn4 + 는 Tetrahedrite 시스템에 다른 2가 전이 금속이 존재하지 않을 때 Cu에 도핑된다고 보고되고 있다. 따라서 Sn2 + 은 Sb3 + 자리에 치환 가능성이 높고, Sn4 + 가 Cu+ 와 Cu2 + 에 치환되면서 Sn 함량이 증가할수록 격자 상수가 증가한 것으로 보인다. The lattice constant of Cu 12 Sb 4 -y Sn y S 13 shown in Table 3 increased from 1.0348 to 1.0364 nm as the Sn content increased. According to previous studies, it has been reported that Sn 4+ is doped into Cu in the absence of other divalent transition metals in the Tetrahedrite system . Therefore, Sn 2+ is highly likely to be substituted at the Sb 3+ site, and as Sn 4+ is substituted with Cu + and Cu 2+ , the lattice constant seems to increase as the Sn content increases.

실험예 3-2: 실시예 3의 형태 및 조성 분석Experimental Example 3-2: Analysis of the shape and composition of Example 3

도 20은 Cu12Sb4 - ySnyS13의 파단면의 SEM 사진이다. Sn 함량에 따른 파단면의 미세조직 차이는 관찰되지 않았으며 기공은 거의 관찰되지 않았다. 도 21을 참고하면, EDS원소 맵핑은 모든 원소가 균질하게 잘 분포되었음을 나타낸다. 상기 표 3에서와 같이 모든 시편은 99.5-100.0% 의 높은 상대 밀도를 얻었으며, 실제 조성과 공칭 조성간에 큰 차이를 보이지 않았다. 따라서 본 실시예에서 기계적 합금화를 통한 합성과 열간 압축 성형을 통한 균일하고 치밀한 소결이 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있다.20 is a SEM photograph of a fracture surface of Cu 12 Sb 4 -y Sn y S 13 . The difference in microstructure of the fracture surface according to the Sn content was not observed, and pores were hardly observed. Referring to FIG. 21 , the EDS element mapping indicates that all elements are homogeneously well distributed. As shown in Table 3 above, all specimens obtained a high relative density of 99.5-100.0%, and there was no significant difference between the actual composition and the nominal composition. Therefore, in this embodiment, it can be seen that the synthesis through mechanical alloying and uniform and dense sintering through hot compression molding were successfully achieved.

실험예 3-3: 실시예 3의 전기전도도 분석Experimental Example 3-3: Electrical conductivity analysis of Example 3

도 22는 Cu12Sb4 - ySnyS13 의 전기전도도에 관한 것이다. 반도체 전기 전도도는 캐리어 농도와 이동도에 영향을 받는다. 전기전도도는 σ = neμ (n: carrier concentration, e: electronic charge, μ: mobility,) 로 표현된다. y = 0.1 시편의 경우 온도가 증가함에 따라 623 K까지 거의 온도의존성을 보이지 않다가 623 K 이상의 온도에서 미세한 감소를 보여 축퇴 반도체 거동을 나타냈다. y = 0.2-0.3 시편의 경우 온도 증가에 따라 전기전도도가 미세하게 증가하였고, y = 0.4 시편의 경우 강한 양의 온도 의존성을 나타내어 비축퇴 반도체 거동을 보였다. 따라서 테트라헤드라이트에 Sn 도핑에 의해 전기전도 기구가 축퇴 반도체에서 비축퇴 반도체로 전이되었다고 판단된다. 일정 온도에서 Sn의 함량이 증가할수록 전기전도도가 감소하였다. 따라서 323-723 K의 온도에서 Cu12Sb3 . 9Sn0 . 1S13의 전기전도도가 (2.24-2.40)×104 Sm-1로 가장 높은 전기전도도를 나타냈다. 22 is related to the electrical conductivity of Cu 12 Sb 4 -y Sn y S 13 . Semiconductor electrical conductivity is affected by carrier concentration and mobility. Electrical conductivity is expressed as σ = neμ (n: carrier concentration, e: electronic charge, μ: mobility,). In the case of the y = 0.1 specimen, as the temperature increased, it showed almost no temperature dependence up to 623 K, but showed a slight decrease at a temperature of 623 K or higher, indicating degenerate semiconductor behavior. In the case of the y = 0.2-0.3 specimen, the electrical conductivity slightly increased as the temperature increased, and the y = 0.4 specimen showed a strong positive temperature dependence, showing non-degenerate semiconductor behavior. Therefore, it is judged that the electrical conduction mechanism is transferred from a degenerate semiconductor to a non-degenerate semiconductor by Sn doping in the tetrahedrite. As the content of Sn increased at a certain temperature, the electrical conductivity decreased. Therefore, at a temperature of 323-723 K, Cu 12 Sb 3 . 9 Sn 0 . The electrical conductivity of 1 S 13 was (2.24-2.40)×10 4 Sm -1 , indicating the highest electrical conductivity.

실험예 3-4: 실시예 3의 제백 계수 분석Experimental Example 3-4: Analysis of Seebeck coefficient of Example 3

도 23은 Cu12Sb4 - ySnyS13의 Seebeck 계수를 나타낸다. 모든 시편의 제벡계수는 양의 값을 나타내었고 이는 주된 캐리어가 홀인 p-type 반도체임을 의미한다. p-type 반도체에서의 Seebeck계수는

Figure pat00006
= (8/3)π2kB 2m*Te-1h-2(π/3n)2/3 (kB: Boltzmann constant, m*: effective carrier mass, h: Planck constant,)로 나타내어진다. 온도가 증가함에 따라 y ≤ 0.3인 경우 Seebeck coefficient는 증가하였지만 y = 0.4인 경우 온도 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. P-type 반도체는 특정온도(진성 전이 온도) 이상이 되면 캐리어 농도가 급격히 증가하게 되면서 제백 계수가 감소 한다. 이것은 도 22에서 전기전도도의 온도 의존성과 관련이 있다. 따라서 Cu12Sb3.6Sn0.4S13 의 시편은 323 K 이하에서 진성 전이가 발생한 것으로 볼 수 있다. 일정온도에서 Sn 함량이 증가함에 따라 제벡계수는 증가하였다. Cu12Sb3 . 6Sn0 . 4S13는 323-723 K에서 270-238 μVK-1으로 최대 제벡계수를 나타냈다. 23 shows the Seebeck coefficient of Cu 12 Sb 4 -y Sn y S 13 . The Seebeck coefficients of all the specimens showed positive values, which means that the main carriers were p-type semiconductors with holes. Seebeck coefficient in p-type semiconductor is
Figure pat00006
= (8/3)π 2 k B 2 m * Te -1 h -2 (π/3n) 2/3 (k B : Boltzmann constant, m * : effective carrier mass, h: Planck constant,) . As the temperature increases, the Seebeck coefficient increases when y ≤ 0.3, but decreases with the increase in temperature when y = 0.4. In P-type semiconductors, when a certain temperature (intrinsic transition temperature) is exceeded, the carrier concentration rapidly increases and the Seebeck coefficient decreases. This is related to the temperature dependence of the electrical conductivity in FIG. 22 . Therefore, in the specimen of Cu 12 Sb 3.6 Sn 0.4 S 13 , it can be considered that the intrinsic transition occurred at 323 K or less. As the Sn content increased at a constant temperature, the Seebeck coefficient increased. Cu 12 Sb 3 . 6 Sn 0 . 4 S 13 showed the maximum Seebeck coefficient of 270-238 μVK -1 at 323-723 K.

실험예 3-5: 실시예 3의 출력인자 분석Experimental Example 3-5: Analysis of the output factor of Example 3

도 24는 Cu12Sb4 - ySnyS13의 출력인자를 나타낸다. 출력 인자는 PF =

Figure pat00007
식 으로 계산된다. 따라서 도 22의 전기 전도도와 도 23의 제백계수의 온도의존성 결과로부터 출력인자는 온도가 증가함에 따라 증가하였다. 제백계수와 전기전도도는 모두 캐리어 농도의 영향을 받기 때문에 Sn의 함량이 증가함에 따라 캐리어 농도(전기전도도)가 감소하여 출력인자는 감소하는 결과를 보여주었다. 본 실험예에서의 최대 출력인자는 Cu12Sb3 . 9Sn0 . 1S13가 323-723 K의 온도에서 0.38-0.73 mWm-1K- 2으로 가장 높았다. 24 shows an output factor of Cu 12 Sb 4 -y Sn y S 13 . The output argument is PF =
Figure pat00007
is calculated as Therefore, from the temperature dependence of the electrical conductivity of FIG. 22 and the Seebeck coefficient of FIG. 23, the output factor increased as the temperature increased. Since both the Seebeck coefficient and the electrical conductivity are affected by the carrier concentration, as the Sn content increased, the carrier concentration (electrical conductivity) decreased and the output factor decreased. The maximum output factor in this experimental example is Cu 12 Sb 3 . 9 Sn 0 . 1 S 13 was the highest at a temperature of 323-723 K with 0.38-0.73 mWm -1 K -2 .

실험예 3-6: 실시예 3의 열전도도 분석Experimental Example 3-6: Thermal conductivity analysis of Example 3

도 25는 Cu12Sb4 - ySnyS13의 열전도도를 나타낸다. κ = κE + κL 관계로부터 전체 열전도도(κ)에서 전자 열전도도(κE)를 뺀 값으로 격자 열전 도도(κL)를 구하였고, 전자 열전도도는 Wiedemann-Franz 법칙 (κE = LσT, L: Lorenz number)을 이용하여 구하였다. 이때 Lorenz number [10-8 V2K- 2]는

Figure pat00008
식을 사용하여 계산하였다.25 shows the thermal conductivity of Cu 12 Sb 4 -y Sn y S 13 . The lattice thermal conductivity (κ L ) was obtained by subtracting the electronic thermal conductivity (κ E ) from the total thermal conductivity (κ) from the κ = κ E + κ L relationship, and the electronic thermal conductivity was determined by the Wiedemann-Franz law (κ E = LσT, L: Lorenz number) was used. At this time, Lorenz number [10 -8 V 2 K - 2 ] is
Figure pat00008
It was calculated using the formula.

도 25의 (a) 는 Cu12Sb4 - ySnyS13 의 전체 열전도도를 나타내었다. 온도 증가하면서 열전도도는 증가하다가 격자 열전도도의 영향으로 623 K 이상에서 감소하였다. 일정 온도에서 열전도도도는 Sn 함량 증가에 따라 감소하였다. Cu12Sb3 . 6Sn0 . 4S13의 경우 323-723 K에서 0.49-0.60 Wm-1K- 1으로 가장 낮은 열전도도를 보여주었다. Sn이 Sb 자리에 치환되면서 열전도도가 감소하는 것을 확인하였다. 이는 tetrahedrite substructure 인 CuS3 삼각형 평면에서 고속 음향 포논을 산란시키고 음향 분산과 혼성되어 열전도도를 감소시킨다.Figure 25 ( a) is Cu 12 Sb 4 -y Sn y S 13 showed the overall thermal conductivity of As the temperature increased, the thermal conductivity increased, but decreased above 623 K under the influence of the lattice thermal conductivity. At a constant temperature, the thermal conductivity decreased with increasing Sn content. Cu 12 Sb 3 . 6 Sn 0 . 4 S 13 showed the lowest thermal conductivity of 0.49-0.60 Wm -1 K -1 at 323-723 K. It was confirmed that the thermal conductivity decreased as Sn was substituted at the Sb site. This scatters high-speed acoustic phonons in the CuS 3 triangular plane, a tetrahedrite substructure, and mixes with acoustic dispersion, reducing thermal conductivity.

도 25의 (b)와 같이 온도 증가에 따라 전자 열전도도는 증가하였다. 323-723 K 에서 Sn 함량 증가할수록 전자 열전도도는 감소하였으며, Cu12Sb3 . 6Sn0 . 4S13 가 0.002-0.057 Wm-1K-1 로 최소 전자 열전도도를 나타내었다. As shown in (b) of FIG. 25 , the electronic thermal conductivity increased as the temperature increased. As the Sn content increased at 323-723 K, the electronic thermal conductivity decreased, Cu 12 Sb 3 . 6 Sn 0 . 4 S 13 showed the minimum electronic thermal conductivity as 0.002-0.057 Wm -1 K -1 .

도 26은 Cu12Sb4 - ySnyS13 의 로렌츠 상수를 나타낸 결과이다. 일반적으로 로렌츠 상수는 (1.45-2.44)×10-8 V2K- 2 의 값을 가지며, 로렌츠 상수가 클수록 축퇴 반도체 거동을, 작을수록 비축퇴 반도체 거동을 의미한다. 본 실험예에서 y ≤ 0.3 에서는 온도가 증가할수록 로렌츠 상수가 감소하여, 축퇴 반도체에서 비축퇴 반도체 전도 특성으로 전이되었다고 판단된다. Cu12Sb3 . 9Sn0 . 1S13 이 323-723 K 에서 (1.82-1.71)×10-8V2K-2로 가장 높은 로렌츠 상수 값을 나타내었고, Cu12Sb3 . 6Sn0 . 4S13 는 온도가 증가하면서 로렌츠 상수가 증가하여 323-723 K 에서 (1.59-1.62) × 10-8 V2K-2 로 가장 낮은 로렌츠 상수를 보여주었다. 26 is Cu 12 Sb 4 - y Sn y S 13 It is the result showing the Lorentz constant of . In general, the Lorentz constant has a value of (1.45-2.44)×10 -8 V 2 K - 2 , and a larger Lorentz constant means a degenerate semiconductor behavior and a smaller Lorentz constant means a non-degenerate semiconductor behavior. In this experimental example, at y ≤ 0.3, the Lorentz constant decreases as the temperature increases, and it is determined that the conduction characteristics of the degenerate semiconductor are transferred to the non-degenerate semiconductor. Cu 12 Sb 3 . 9 Sn 0 . 1 S 13 showed the highest Lorentz constant value as (1.82-1.71)×10 -8 V 2 K -2 at 323-723 K, and Cu 12 Sb 3 . 6 Sn 0 . 4 S 13 showed the lowest Lorentz constant from 323-723 K to (1.59-1.62) × 10 -8 V 2 K -2 as the Lorentz constant increased as the temperature increased.

실험예 3-7: 실시예 3의 열전성능지수(ZT) 분석Experimental Example 3-7: Analysis of the thermoelectric figure of merit (ZT) of Example 3

도 27은 Cu12Sb4 - ySnyS13의 무차원 성능지수(ZT)를 나타낸다. 온도가 증가 할수록 출력인자의 증가로 인해 ZT 가 증가하였다. Sn 의 함량이 증가하면 열전도도가 감소하였음에도 불구하고 출력인자의 감소가 지배적이어서 ZT가 감소하였다. ZT는 723 K에서 Cu12Sb3.9Sn0.1S13 가 0.66로 최대값을 보였다. 27 shows the dimensionless figure of merit ( ZT) of Cu 12 Sb 4 -y Sn y S 13 . As the temperature increased, the ZT increased due to the increase of the output factor. Although the thermal conductivity decreased when the Sn content was increased, the decrease in the output factor dominated and the ZT decreased. In ZT, Cu 12 Sb 3.9 Sn 0.1 S 13 showed the maximum value of 0.66 at 723 K.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. Features, structures, effects, etc. described in the above-described embodiments are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects, etc. illustrated in each embodiment can be combined or modified for other embodiments by those of ordinary skill in the art to which the embodiments belong. Accordingly, the contents related to such combinations and modifications should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. In addition, although the embodiments have been described above, these are merely examples and do not limit the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains are exemplified above in a range that does not depart from the essential characteristics of the present embodiment. It can be seen that various modifications and applications that have not been made are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments may be implemented by modification. And differences related to these modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention defined in the appended claims.

Claims (7)

Cu12Sb4S13에 Ge, Si 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나가 도핑된 열전재료.A thermoelectric material in which Cu 12 Sb 4 S 13 is doped with at least one selected from the group consisting of Ge, Si and Sn. 제1항에 있어서,
상기 열전재료는 Cu12Sb4-yMyS13 이고,
여기서, 0 < y ≤ 1.5이고, M은 Ge, Si 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 열전재료.
According to claim 1,
The thermoelectric material is Cu 12 Sb 4-y M y S 13 ,
Here, 0 < y ≤ 1.5, and M is at least one selected from the group consisting of Ge, Si, and Sn thermoelectric material.
원료물질을 조성식 Cu12Sb4 - yMyS13 (여기서, 0 < y ≤ 1.5이고, M은 Ge, Si 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나)에 맞게 칭량하여 준비하는 단계;
준비된 원료물질을 기계적 합금화하여 분말을 합성하는 단계; 및
상기 분말을 열간 압축 성형(Hot Pressing, HP)하는 단계를 포함하는 열전재료의 제조방법.
Preparing a raw material by weighing it according to the compositional formula Cu 12 Sb 4 - y M y S 13 (where 0 < y ≤ 1.5, and M is at least one selected from the group consisting of Ge, Si and Sn);
synthesizing powder by mechanically alloying the prepared raw material; and
A method of manufacturing a thermoelectric material comprising the step of hot pressing the powder (Hot Pressing, HP).
제3항에 있어서,
상기 분말을 합성하는 단계에서는 상기 준비된 원료물질을 200 rpm 내지 2000 rpm의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조 방법.
4. The method of claim 3,
In the step of synthesizing the powder, the method for producing a thermoelectric material, characterized in that the prepared raw material is performed under the conditions of 200 rpm to 2000 rpm.
제3항에 있어서,
상기 분말을 합성하는 단계에서는 상기 준비된 원료물질을 1 시간 내지 100 시간 동안 볼 밀링하는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조 방법.
4. The method of claim 3,
In the step of synthesizing the powder, the method for producing a thermoelectric material, characterized in that ball milling the prepared raw material for 1 hour to 100 hours.
제3항에 있어서,
상기 열간 압축 성형하는 단계는 473 K 내지 873 K의 온도범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
4. The method of claim 3,
The step of hot compression molding is a method of manufacturing a thermoelectric material, characterized in that it is performed in a temperature range of 473 K to 873 K.
제3항에 있어서,
상기 열간 압축 성형하는 단계는 상압 내지 100 MPa 의 압력범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 열전재료의 제조방법.
4. The method of claim 3,
The method of manufacturing a thermoelectric material, characterized in that the hot compression molding is performed in a pressure range of normal pressure to 100 MPa.
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