KR20220070669A - BiSbTe-based thermoelectric material with Gd-based oxide in which nanomaterials are dispersed in the matrix and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a BiSbTe-based thermoelectric material having excellent thermoelectric properties by including a Bi-containing nanomaterial dispersed in a BiSbTe-based base material. According to an embodiment of the present invention, the BiSbTe-based thermoelectric material includes gadolinium-based oxide dispersed in a Bi_aSb_bTe_c alloy (a in the Bi_aSb_bTe_c alloy is 0.4 to 0.6, b is 1.2 to 1.6, and c is 2.7 to 3.3).

Description

가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료 및 그 제조방법{BiSbTe-based thermoelectric material with Gd-based oxide in which nanomaterials are dispersed in the matrix and method of manufacturing the same}BiSbTe-based thermoelectric material with Gd-based oxide in which nanomaterials are dispersed in the matrix and method of manufacturing the same

본 발명의 기술적 사상은 열전 재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 BiSbTe계 열전 재료에 Gd2-xBixO3로 제공되는 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a thermoelectric material, and more particularly, to a hierarchical BiSbTe-based thermoelectric material including a gadolinium-based oxide provided as Gd 2-x Bi x O 3 in the BiSbTe-based thermoelectric material, and a method for manufacturing the same will be.

열전 소자는 에너지 변환 분야에서 다양하게 응용될 수 있어 관심이 집중되고 있다. 예를 들어, 상기 에너지 변환 분야는 제백 효과에 기인한 발전과 펠티에 효과에 의한 능동 냉각을 포함한다. 이러한 열전 재료들의 효율성은 무차원의 성능지수를 이용하여 나타낼 수 있다.Thermoelectric devices are attracting attention because they can be applied in various ways in the field of energy conversion. For example, the energy conversion field includes power generation due to the Seebeck effect and active cooling due to the Peltier effect. The efficiency of these thermoelectric materials can be expressed using a dimensionless figure of merit.

Bi2Te3-계 물질들은 상온에서 열전 소자로서 광범위하게 사용되고 있다. 상기 Bi2Te3-계 물질들의 열전 반응을 개선하기 위한 많은 연구들이 시행되고 있고, 예를 들어 공정 제어, 미세구조의 설계, 조성 정밀 제어 등에 관하여 연구가 이루어지고 있다. 또한, Bi2Te3 는 물리적 및 화학적 방법들에 의하여 합성될 수 있다. 일반적으로, 상기 물리적 방법들은 증발, 스퍼터링 및 스프레이 열분해 등을 포함한다. 상기 화학적 방법들은 전기화학적 증착, 전기분해 증착, 열수 공정, 및 용매열합성 공정 등을 포함한다. 화학적 방법은 입자 크기 및 입자 크기 분포를 정밀하게 제어할 수 있으나, 위험성이 크다. 반면, 물리적 방법은 열전 재료들의 미세구조 및 다른 특성들을 결정할 수 있으나, 이들은 공정 온도 및 압력에 전체적으로 의존한다. 따라서, 증가된 열전 특성을 가지는 열전 재료 및 상기 열전 재료의 개선된 제조 방법에 대한 요구가 증대되고 있다.Bi 2 Te 3 -based materials are widely used as thermoelectric devices at room temperature. Many studies are being conducted to improve the thermoelectric reaction of the Bi 2 Te 3 -based materials, for example, research is being conducted on process control, microstructure design, compositional precision control, and the like. In addition, Bi 2 Te 3 may be synthesized by physical and chemical methods. In general, the physical methods include evaporation, sputtering and spray pyrolysis and the like. The chemical methods include electrochemical deposition, electrolytic deposition, hydrothermal process, and solvothermal synthesis process. Chemical methods can precisely control particle size and particle size distribution, but are risky. On the other hand, physical methods can determine the microstructure and other properties of thermoelectric materials, but they depend entirely on the process temperature and pressure. Accordingly, there is an increasing demand for a thermoelectric material having increased thermoelectric properties and an improved method for manufacturing the thermoelectric material.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 BiSbTe계로 제공되는 모재에 Gd2-xBixO3 (0<x<0.03)가 포함되어 우수한 열전 특성을 가지는 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is a hierarchical BiSbTe-based oxide containing a gadolinium-based oxide having excellent thermoelectric properties by including Gd 2-x Bi x O 3 (0<x<0.03) in a base material provided as a BiSbTe-based material. To provide a thermoelectric material and a method for manufacturing the same.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료는, BiaSbbTec 합금에 분산된 가돌리늄계 산화물을 포함할 수 있다.The hierarchical BiSbTe-based thermoelectric material including a gadolinium-based oxide according to the technical spirit of the present invention for achieving the above technical object may include a gadolinium-based oxide dispersed in a Bi a Sb b Te c alloy.

(상기 BiaSbbTec 합금 중 a는 0.4 내지 0.6이고, b는 1.2 내지 1.6이며, c는 2.7 내지 3.3이다.)(In the Bi a Sb b Te c alloy, a is 0.4 to 0.6, b is 1.2 to 1.6, and c is 2.7 to 3.3.)

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가돌리늄계 산화물은 Gd2-xBixO3 (0<x<0.03)일 수 있다. In an embodiment of the present invention, the gadolinium-based oxide may be Gd 2-x Bi x O 3 (0<x<0.03).

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 BiaSbbTec 합금은 Bi0.5Sb1.5Te3인 것을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the Bi a Sb b Te c alloy may include Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 .

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 Gd2-xBixO3 나노 입자는 Gd1.98Bi0.02O3 인 것을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the Gd 2-x Bi x O 3 nanoparticles may include Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 .

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 Gd2-xBixO3 나노 입자는 상기 BiSbTe계 열전 재료 전체에 대하여 1 내지 3 중량%로 포함될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the Gd 2-x Bi x O 3 nanoparticles may be included in an amount of 1 to 3 wt% based on the total weight of the BiSbTe-based thermoelectric material.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 Gd2-xBixO3 나노 입자는 10 내지 100 nm 범위의 크기를 가질 수 있다.In an embodiment of the present invention, the Gd 2-x Bi x O 3 nanoparticles may have a size in the range of 10 to 100 nm.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 BiSbTe계 열전 재료는

Figure pat00001
삼방정계 구조를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the BiSbTe-based thermoelectric material
Figure pat00001
It may have a trigonal structure.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료의 제조 방법은, Bi, Sb 및 Te로 이루어진 모재의 분말을 형성하는 단계; 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 형성하는 단계; 상기 모재의 분말과 상기 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 혼합하여 복합물 혼합 분말을 형성하는 단계; 상기 복합물 혼합 분말을 볼밀링하는 단계; 및 상기 복합물 혼합 분말을 스파크 플라즈마 소결하는 단계;를 포함할 수 있다. A method for manufacturing a hierarchical BiSbTe-based thermoelectric material including a gadolinium-based oxide according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical object is Bi , Sb And forming a powder of the base material consisting of Te; forming a bismuth-containing gadolinium oxide powder; forming a composite mixed powder by mixing the powder of the base material and the bismuth-containing gadolinium oxide powder; ball milling the composite powder mixture; and spark plasma sintering of the composite mixed powder.

본 발명의 일 실시예에 있어서, Bi, Sb 및 Te로 이루어진 모재의 분말을 형성하는 단계는, Bi, Sb, 및 Te를 화학양론적 조성으로 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 융해하는 단계; 및 상기 융해된 혼합물을 아토마이징하여 BiaSbbTec로 구성되는 모재의 분말을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, Bi , Sb And forming the powder of the base material consisting of Te, Bi, Sb, and Te mixing in a stoichiometric composition to form a mixture; melting the mixture; and atomizing the molten mixture to form a powder of a base material composed of Bi a Sb b Te c .

(상기 BiaSbbTec 합금 중 a는 0.4 내지 0.6이고, b는 1.2 내지 1.6이며, c는 2.7 내지 3.3이다.)(In the Bi a Sb b Te c alloy, a is 0.4 to 0.6, b is 1.2 to 1.6, and c is 2.7 to 3.3.)

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 융해하는 단계는 고주파 유도로를 이용하여 아르곤 가스 분위기에서 수행되고, 상기 아토마이징하는 단계는 가스 아토마이저를 이용하여 질소 분위기에서 수행될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the melting may be performed in an argon gas atmosphere using a high-frequency induction furnace, and the atomizing may be performed in a nitrogen atmosphere using a gas atomizer.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 형성하는 단계는, 가돌리늄 질화물, 비스무트 질화물 전구체, 및 에틸렌 글리콜을 혼합한 혼합 용액을 형성하는 단계; 상기 혼합 용액을 초음파 분무기를 이용하여 아토마이징하여 액적을 형성하는 단계; 상기 액적을 석영 반응기 내에서 850 내지 950℃ 범위의 온도에서 반응시켜 반응물을 형성하는 단계; 상기 반응물을 필터를 이용하여 분말을 추출하는 단계; 및 상기 분말을 950 내지 1050℃ 범위의 온도에서 산화 분위기로 열처리하여 상기 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the forming of the bismuth-containing gadolinium oxide powder comprises: forming a mixed solution in which gadolinium nitride, a bismuth nitride precursor, and ethylene glycol are mixed; atomizing the mixed solution using an ultrasonic atomizer to form droplets; reacting the droplets in a quartz reactor at a temperature in the range of 850 to 950° C. to form a reactant; extracting powder from the reactant using a filter; and heat-treating the powder in an oxidizing atmosphere at a temperature in the range of 950 to 1050° C. to form the bismuth-containing gadolinium oxide powder.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 볼밀링하는 단계는, 10:1 내지 20:1 범위의 밀링볼 대 복합물 혼합 분말의 중량 비율, 500 내지 1000 rpm 범위의 밀링 속도, 및 10 분 내지 30분 범위의 볼밀링 시간 동안 수행될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the ball milling step includes a weight ratio of the milling balls to the composite mixed powder in the range of 10:1 to 20:1, a milling speed in the range of 500 to 1000 rpm, and 10 minutes to 30 minutes. It can be performed for a range of ball milling times.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스파크 플라즈마 소결하는 단계는, 400 내지 500℃ 범위의 온도와 30 내지 70 MPa의 압력에서 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the spark plasma sintering step may be performed at a temperature in the range of 400 to 500 ℃ and a pressure of 30 to 70 MPa.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 BiSbTe 분말은 Bi0.5Sb1.5Te3을 포함할 수 있다. 상기 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말은 Gd1.98Bi0.02O3을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the BiSbTe powder may include Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 . The bismuth-containing gadolinium oxide powder may include Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 .

본 발명의 기술적 사상에 따른 모재에 분산된 Bi 함유 나노 물질을 포함하는 BiSbTe계 열전 재료 및 그 제조방법에서는, 간단한 화학적 용액 공정을 이용하여 비스무트가 포함된 희토류 산화물로서 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자들과 비스무트가 미포함된 희토류 산화물로서 Gd2O3 나노 입자들을 용이하게 형성할 수 있다.In the BiSbTe-based thermoelectric material including the Bi-containing nanomaterial dispersed in the base material and the manufacturing method thereof according to the technical concept of the present invention, Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles as a rare earth oxide containing bismuth using a simple chemical solution process Gd 2 O 3 nanoparticles can be easily formed as a rare earth oxide that does not contain ions and bismuth.

BiSbTe계 모재에 2 중량%의 Gd1.98Bi0.02O3을 첨가하여 형성한 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 열전 재료는, 캐리어 농도의 증가에 의하여 전기전도도를 증가시키고, 반면, 비스무트의 치환은 전체 구조 및 전하 캐리어 농도를 보존할 수 있다. 또한, 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 열전 재료는 캐리어 에너지 필터링에 의한 유효 질량의 증가에 기인하여 제백 계수를 증가시키게 되고, 반면, 상기 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자들에 의하여 포논 산란이 증가되어 열전도도는 상당히 감소하게 되고, 상기 BiSbTe계 모재에 비하여 상기 열전도도는 약 9% 감소한다. 결과적으로, 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 열전 재료는 300K에서 0.87의 최대 성능지수(ZT)를 가지고, 이는 상기 BiSbTe계 모재에 비하여 약 30% 증가된 수치이다.BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 thermoelectric material formed by adding 2 wt% of Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 to a BiSbTe-based base material increases electrical conductivity by increasing carrier concentration, whereas substitution of bismuth is Structure and charge carrier concentration can be preserved. In addition, the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 thermoelectric material increases the Seebeck coefficient due to an increase in effective mass by carrier energy filtering, whereas phonon scattering is reduced by the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles. As it increases, the thermal conductivity is significantly reduced, and the thermal conductivity is reduced by about 9% compared to the BiSbTe-based base material. As a result, the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 thermoelectric material has a maximum figure of merit (ZT) of 0.87 at 300K, which is about 30% higher than that of the BiSbTe-based base material.

이러한 결과로부터, 상기 BiSbTe계 모재와 비스무트가 포함된 희토류 산화물인 Gd1.98Bi0.02O3 의 합체로 형성된 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 열전 재료는 BiSbTe계 물질들의 열전 특성들을 개선시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서, 가돌리늄 산화물에서의 비스무트의 포함은 합성된 Gd2O3 의 구조에서 결함들의 원천을 감소시킬 수 있다.From these results, the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 thermoelectric material formed by combining the BiSbTe-based base material and Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 , a rare earth oxide containing bismuth, can improve the thermoelectric properties of BiSbTe-based materials. Also, in the present invention, the inclusion of bismuth in gadolinium oxide can reduce the source of defects in the structure of the synthesized Gd 2 O 3 .

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다The above-described effects of the present invention have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 BiSbTe계 열전 재료의 제조 방법에서 BiSbTe 분말을 형성하는 단계를 도시하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 BiSbTe계 열전 재료의 제조 방법에서 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 형성하는 단계를 도시하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 제조 방법에서 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 형성하는 단계를 수행하는 예시적인 스프레이 열분해 장치를 설명하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료에 포함되는 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자들의 투과전자현미경 사진 및 EDS 맵핑 사진들이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 X-선 회절 패턴들을 나타내는 그래프이다.
도 7는 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 투과전자현미경 사진들이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 온도에 따른 전기전도도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 온도에 따른 제백 계수를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 온도에 따른 역률을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 온도에 따른 열전도도를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 온도에 따른 격자 열전도도를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 온도에 따른 성능지수를 나타내는 그래프이다.
1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a step of forming a BiSbTe powder in the method for manufacturing the BiSbTe-based thermoelectric material of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a step of forming a bismuth-containing gadolinium oxide powder in the method for manufacturing the BiSbTe-based thermoelectric material of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram illustrating an exemplary spray pyrolysis apparatus for performing the step of forming a bismuth-containing gadolinium oxide powder in a method for manufacturing a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
5 is a transmission electron microscope photograph and EDS mapping photographs of Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles included in the BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing X-ray diffraction patterns of a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
7 is a transmission electron micrograph of a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing electrical conductivity according to temperature of a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph illustrating a Seebeck coefficient according to a temperature of a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph illustrating a power factor according to temperature of a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph illustrating thermal conductivity according to temperature of a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph showing lattice thermal conductivity according to temperature of a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
13 is a graph showing the figure of merit according to the temperature of the BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the technical idea of the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided to more fully and complete the present disclosure, and to fully convey the technical spirit of the present invention to those skilled in the art. In this specification, the same reference numerals refer to the same elements throughout. Furthermore, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.

열전 재료들의 효율성은 무차원의 성능지수(figure of merit, ZT)로 주어지며, 하기의 식 1로 표현된다.The efficiency of thermoelectric materials is given as a dimensionless figure of merit (ZT), and is expressed by Equation 1 below.

<식 1><Equation 1>

Figure pat00002
Figure pat00002

여기에서, σ 는 전기전도도(electrical conductivity), S 는 제백 계수(seebeck coefficient), (σS2) 는 역률(power factor), κ 는 열전도도(thermal conductivity), T 는 절대온도(absolute temperature)이다.where σ is the electrical conductivity, S is the seebeck coefficient, (σS 2 ) is the power factor, κ is the thermal conductivity, and T is the absolute temperature. .

식 1에 의하면, 열전 재료의 성능을 높은 역률과 낮은 열전도도를 가질수록 증가될 수 있다.According to Equation 1, the performance of the thermoelectric material can be increased as it has a high power factor and low thermal conductivity.

최근의 연구에 따르면, BiSbTe계 모재에 나노 구조화된 나노 입자들을 개재하면, 열전도도를 감소시키게 되어, 높은 성능지수(ZT)를 달성할 수 있다. 또한, 다른 연구에 의하면, 에너지 필터링 효과(energy filtering effect)를 통하여 계면들에서의 캐리어 산란을 발생시켜, 제백 계수를 증가시킴으로써 역률을 증가시켜, 결과적으로 성능지수를 증가시킬 수 있다. 또한, Bi2Te3 나노 복합물의 경우에, 기계적 밀링을 통한 분산과 스파크 플라즈마 소결에 의한 합체에 의하여 열전 특성들을 증가시킬 수 있다.According to a recent study, when nano-structured nanoparticles are interposed in a BiSbTe-based base material, thermal conductivity is reduced, and a high figure of merit (ZT) can be achieved. In addition, according to another study, carrier scattering at the interfaces is generated through the energy filtering effect, and the power factor is increased by increasing the Seebeck coefficient, and consequently the figure of merit can be increased. In addition, in the case of the Bi 2 Te 3 nanocomposite, thermoelectric properties can be increased by dispersion through mechanical milling and coalescence by spark plasma sintering.

열전 재료의 성능지수 증가를 위하여, 열전도도를 감소시키는 방법은 여러가지가 있다. 예를 들어, Bi2Te3 계 물질 내에 BN, ZrO2, C60 등과 같은 나노 크기의 입자들을 합체시키는 방법이 있다. 김(Kim et al.)의 연구에서는, 상온에서 4 중량% Ta2O5 나노 입자들을 합체시켜 열전도도를 감소시키고, 이에 따라 1.38의 높은 성능지수(ZT)를 달성하였다. 류(Lu et al.)의 연구에서는, 3 시간 볼밀링하여 분산된 1 mol% MnTe 나노 입자를 이용하여, 348 K에서 1.37의 성능지수(ZT)를 달성하였고, 이는 순수한 Bi0.52Sb1.48Te3 의 1.24에 비하여 10%의 개선을 보였다. 모재 내에 MnTe를 첨가함에 의한 성능지수(ZT)의 증가는 호스트 및 나노 분산물 사이의 계면 포논 산란이 증가되어 격자 열전도도를 감소시킬 수 있다. In order to increase the figure of merit of the thermoelectric material, there are several methods for reducing the thermal conductivity. For example, there is a method of incorporating nano-sized particles such as BN, ZrO 2 , and C 60 in a Bi 2 Te 3 material. In the study of Kim et al., the thermal conductivity was reduced by incorporating 4 wt% Ta 2 O 5 nanoparticles at room temperature, thus achieving a high figure of merit (ZT) of 1.38. In the study of Lu et al., using 1 mol% MnTe nanoparticles dispersed by ball milling for 3 hours, a figure of merit (ZT) of 1.37 was achieved at 348 K, which is pure Bi 0.52 Sb 1.48 Te 3 showed an improvement of 10% compared to 1.24 of The increase in the figure of merit (ZT) by adding MnTe in the base material may increase the interfacial phonon scattering between the host and the nano-dispersion, thereby reducing the lattice thermal conductivity.

본 발명의 기술적 사상은 BiaSbbTec 합금에 분산된 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료를 제공하는 것이다. (상기 BiaSbbTec 합금 중 a는 0.4 내지 0.6이고, b는 1.2 내지 1.6이며, c는 2.7 내지 3.3이다.)The technical idea of the present invention is to provide a hierarchical BiSbTe-based thermoelectric material including a gadolinium-based oxide dispersed in a Bi a Sb b Te c alloy. (In the Bi a Sb b Te c alloy, a is 0.4 to 0.6, b is 1.2 to 1.6, and c is 2.7 to 3.3.)

본 명세서에서 가돌리늄계 산화물이란 가돌리늄(Gd)이 산소(O)와 결합한 나노 입자를 의미하며, 상기 가돌리늄계 산화물은 소정의 희토류 원소(R)를 포함한 가돌리늄계 산화물Ge2-xRxO3(0<x<0.03)을 포함할 수 있다. As used herein, the gadolinium-based oxide refers to nanoparticles in which gadolinium (Gd) is combined with oxygen (O), and the gadolinium-based oxide is a gadolinium-based oxide including a predetermined rare earth element (R) Ge 2-x R x O 3 ( 0<x<0.03).

상기 소정의 희토류 원소(R)은 비스무트(Bi), 안티온(Sb), 비소(As)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다. 본 발명에서 상기 희토류 원소로 비스무트(Bi)가 포함된 것을 예를 들어 설명하겠으나, 이에 한정된 것은 아니다. The predetermined rare earth element (R) may include any one or more elements selected from the group consisting of bismuth (Bi), anion (Sb), and arsenic (As). In the present invention, an example in which bismuth (Bi) is included as the rare earth element will be described, but the present invention is not limited thereto.

실시 예에 따르면, 상기 희토류 원소가 포함된 가돌리늄계 산화물이 일정량 첨가되면 포논 산란이 증가하여 역률이 증가되고, 동시에 열전도도를 감소시킬 수 있으며, 성능지수를 향상할 수 있다. According to an embodiment, when a certain amount of the gadolinium-based oxide containing the rare earth element is added, phonon scattering is increased to increase the power factor, and at the same time, thermal conductivity can be reduced, and the figure of merit can be improved.

반면에, 상기 가돌리늄계 산화물 내 희토류가 과포함되면 캐리어 농도가 감소하여 전기전도도가 감소될 수 있다. 이로 인해 상기 열전 재료에 열전 효율이 저하될 수 있다. On the other hand, when the rare earth is excessively contained in the gadolinium-based oxide, the carrier concentration may decrease, thereby reducing electrical conductivity. As a result, thermoelectric efficiency of the thermoelectric material may be reduced.

이러한 이유로, 상기 가돌리늄계 산화물(Ge2-xRxO3)에서 상기 x가 0초과, 0.03 미만인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 0.01 내지 0.02 일 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는 Gd1.98Bi0.02O3로 제공될 수 있다. For this reason, in the gadolinium-based oxide (Ge 2-x R x O 3 ), x is preferably greater than 0 and less than 0.03, more preferably 0.01 to 0.02, even more preferably Gd 1.98 Bi 0.02 It may be provided as O 3 .

즉, 본 발명은 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자를 간단한 방법으로 형성하고, Bi0.5Sb1.5Te3 복합물에 상기 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자를 분산시켜, 열전특성이 우수한 열전 재료를 제공하는 것이다.That is, the present invention provides a thermoelectric material with excellent thermoelectric properties by forming Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles by a simple method and dispersing the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles in a Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 composite. will be.

실시 예에 따르면, 상기 가돌리늄계 산화물(Ge2-xRxO3)은 상기 BiSbTe계 열전 재료에 1 내지 3 중량%로 포함될 수 있다. According to an embodiment, the gadolinium-based oxide (Ge 2-x R x O 3 ) may be included in an amount of 1 to 3 wt% in the BiSbTe-based thermoelectric material.

상기 가돌리늄계 산화물 분말이 1 중량% 미만 포함되면, 상기 모재 내 가돌리늄계 산화물 분말이 포함되는 양이 미비하여 캐리어 농도가 증가되는 효과를 기대하기 어렵다. 아울러, 상기 가돌리늄계 산화물 분말로 인하여 포논 산란이 증가되고 열전도도가 감소되는 등 전기적 특성이 향상되는 것을 기대하기 어렵다. When the gadolinium-based oxide powder is included in less than 1% by weight, the amount of the gadolinium-based oxide powder included in the base material is insufficient, so it is difficult to expect an effect of increasing the carrier concentration. In addition, it is difficult to expect improvement in electrical properties such as increased phonon scattering and reduced thermal conductivity due to the gadolinium-based oxide powder.

반대로, 상기 가돌리늄계 산화물 분말이 3 중량%를 초과하면, 모재 내 가돌리늄계 산화물이 과도하여 상기 모재 내 전자의 흐름을 방해하는 불순물로 작용할 수 있다. 이는 전기전도도가 감소하는 원인이 될 수 있으며, 결과적으로 성능지수가 감소하는 원인이 될 수 있다. 이러한 이유로 상기 가돌리늄계 산화물은 1 내지 3 중량% 포함되는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 2 중량% 포함될 수 있다. Conversely, when the gadolinium-based oxide powder exceeds 3 wt%, the gadolinium-based oxide in the base material is excessive and may act as an impurity that interferes with the flow of electrons in the base material. This may cause the electrical conductivity to decrease, which in turn may cause the figure of merit to decrease. For this reason, the gadolinium-based oxide is preferably included in an amount of 1 to 3 wt%, and more preferably 2 wt%.

본 발명에 따르면, 비스무트를 포함하는 희토류 산화물의 새로운 제조 방법을 제안하고, p형 Bi0.5Sb1.5Te3계 복합물들 내로 비스무트를 포함하는 희토류 산화물(2 중량%의 Gd1.98Bi0.02O3)의 효과를 분석하는 것이다. 흥미롭게는, 상기 BiSbTe 내의 분산된 비스무트를 포함하는 희토류 산화물(2 중량% Gd1.98Bi0.02O3)은, 비스무트를 미포함하는 희토류 산화물(2 중량% Gd2O3)과 비교하면, 증가된 포논 산란에 의하여 역률을 증가시키고, 동시에 열전도도를 감소시킬 수 있으므로, 결과적으로 성능지수를 증가시킬 수 있다.According to the present invention, a novel method for preparing rare earth oxides containing bismuth is proposed, and the preparation of rare earth oxides containing bismuth (2% by weight of Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 ) into p-type Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 based composites. to analyze the effect. Interestingly, the rare earth oxide with bismuth dispersed in the BiSbTe (2 wt% Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 ) has increased phonon scattering compared to the rare earth oxide without bismuth (2 wt% Gd 2 O 3 ). As a result, the power factor can be increased and the thermal conductivity can be reduced at the same time, and consequently the figure of merit can be increased.

본 발명에서는, 분산제로서 희토류 산화물들 중에서 Gd2O3을 선택하였다. 그 이유는 상기 Gd2O3 가 높은 기계적 강도와 큰 광학적 밴드갭을 가지는 등의 다양한 특성들을 가지기 때문이다. 실제로, 가돌리늄은 현재까지 자연적으로 순수한 금속으로는 발견되지 않으며, 가장 일반적인 화학 물질은 3가의 가돌리늄 산화물(Gd3+)로 발견된다. 상기 산화물은 다른 중요한 응용처들에서도 사용될 수 있고, 예를 자기공명 분야, 형광 이미지 분야, 및 열처리된 나노 복합물의 도핑제어 분야 등이다. 스프레이 열분해를 통하여 성장동안의 격자 무질서를 제어함으로써, 비스무트를 포함하는 나노물질과 비스무트를 미포함하는 나노물질을 제조할 수 있다. 이러한 나노 물질들은 볼밀링 및 스파크 플라즈마 소결을 결합하여 Bi0.5Sb1.5Te3 내에 분산시킬 수 있다.In the present invention, Gd 2 O 3 was selected from among the rare earth oxides as the dispersant. The reason is that the Gd 2 O 3 has various properties such as high mechanical strength and a large optical bandgap. In fact, gadolinium has not been found naturally as a pure metal to date, the most common chemical being found as trivalent gadolinium oxide (Gd 3+ ). The oxide can also be used in other important applications, such as magnetic resonance, fluorescence imaging, and doping control of heat-treated nanocomposites. By controlling the lattice disorder during growth through spray pyrolysis, bismuth-containing nanomaterials and bismuth-free nanomaterials can be prepared. These nanomaterials can be dispersed in Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 by combining ball milling and spark plasma sintering.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 제조 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method ( S100 ) of manufacturing a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 상기 BiSbTe계 열전 재료의 제조 방법(S100)은, Bi, Sb 및 Te를 포함하는 모재의 분말을 형성하는 단계(S110); 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 형성하는 단계(S120); 상기 모재의 분말과 상기 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 혼합하여 복합물 혼합 분말을 형성하는 단계(S130); 상기 복합물 혼합 분말을 볼밀링하는 단계(S140); 및 상기 복합물 혼합 분말을 스파크 플라즈마 소결하는 단계(S150);를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the method for manufacturing the BiSbTe-based thermoelectric material ( S100 ) includes forming a powder of a base material including Bi, Sb and Te ( S110 ); Forming a bismuth-containing gadolinium oxide powder (S120); mixing the powder of the base material and the bismuth-containing gadolinium oxide powder to form a composite mixed powder (S130); ball milling the composite powder mixture (S140); and sintering the composite mixed powder with spark plasma (S150).

먼저, 상기 Bi, Sb 및 Te를 포함하는 모재의 분말을 형성하는 단계(S110)를 수행한다.First, the step (S110) of forming a powder of the base material including the Bi, Sb and Te is performed.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 BiSbTe계 열전 재료의 제조 방법(S100)에서 Bi, Sb 및 Te를 포함하는 모재의 분말을 형성하는 단계(S110)를 도시하는 흐름도이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a step (S110) of forming a powder of a base material including Bi, Sb, and Te in the method (S100) of manufacturing the BiSbTe-based thermoelectric material of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 상기 에서 Bi, Sb 및 Te를 포함하는 모재의 분말을 형성하는 단계(S110)는, Bi, Sb, 및 Te를 화학양론적 조성으로 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계(S111); 상기 혼합물을 융해하는 단계(S112); 및 상기 융해된 혼합물을 아토마이징하여 상기 BiSbTe 분말을 형성하는 단계(S113);를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the step of forming the powder of the base material including Bi, Sb, and Te (S110) in the above is a step of forming a mixture by mixing Bi, Sb, and Te in a stoichiometric composition (S111) ; melting the mixture (S112); and atomizing the molten mixture to form the BiSbTe powder (S113).

상기 융해하는 단계(S112)는 고주파 유도로를 이용하여 아르곤 가스 분위기에서 수행될 수 있다. The melting step ( S112 ) may be performed in an argon gas atmosphere using a high-frequency induction furnace.

상기 아토마이징하는 단계(S113)는 가스 아토마이저를 이용하여 질소 가스 분위기에서 수행될 수 있고, 그 결과로 상기 에서 Bi, Sb 및 Te를 포함하는 모재의 분말이 형성될 수 있다. 상기 모재의 분말은 Bi0.5Sb1.5Te3로 제공될 수 있으나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.The atomizing step (S113) may be performed in a nitrogen gas atmosphere using a gas atomizer, and as a result, powder of the base material including Bi, Sb and Te may be formed in the above. The powder of the base material may be provided as Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , but this is exemplary and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

이어서, 도 1의 상기 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 형성하는 단계(S120)를 수행한다.Subsequently, the step of forming the bismuth-containing gadolinium oxide powder of FIG. 1 ( S120 ) is performed.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 BiSbTe계 열전 재료의 제조 방법(S100)에서 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 형성하는 단계(S120)를 도시하는 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a step (S120) of forming a bismuth-containing gadolinium oxide powder in the method (S100) of manufacturing the BiSbTe-based thermoelectric material of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 상기 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 형성하는 단계(S120)는, 가돌리늄 질화물, 비스무트 질화물 전구체, 및 에틸렌 글리콜을 혼합한 혼합 용액을 형성하는 단계(S121); 상기 혼합 용액을 초음파 분무기를 이용하여 아토마이징하여 액적(droplet)을 형성하는 단계(S122); 상기 액적을 석영 반응기 내에서 850 내지 950℃ 범위의 온도에서 반응시켜 반응물을 형성하는 단계(S123); 상기 반응물을 필터를 이용하여 분말을 추출하는 단계(S124); 및 상기 분말을 950 내지 1050℃ 범위의 온도에서 산화 분위기로 열처리하여 상기 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 형성하는 단계(S125);를 포함한다.Referring to FIG. 3 , the step of forming the bismuth-containing gadolinium oxide powder (S120) includes forming a mixed solution in which gadolinium nitride, a bismuth nitride precursor, and ethylene glycol are mixed (S121); Atomizing the mixed solution using an ultrasonic atomizer to form droplets (droplet) (S122); forming a reactant by reacting the droplets at a temperature in the range of 850 to 950° C. in a quartz reactor (S123); extracting powder from the reactant using a filter (S124); and heat-treating the powder in an oxidizing atmosphere at a temperature in the range of 950 to 1050° C. to form the bismuth-containing gadolinium oxide powder (S125).

상기 가돌리늄 질화물, 비스무트 질화물 전구체, 및 에틸렌 글리콜은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.The gadolinium nitride, bismuth nitride precursor, and ethylene glycol are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 제조 방법에서 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 형성하는 단계(S120)를 수행하는 예시적인 스프레이 열분해 장치를 설명하는 개략도이다.4 is a schematic diagram illustrating an exemplary spray pyrolysis apparatus for performing the step (S120) of forming bismuth-containing gadolinium oxide powder in the method for manufacturing a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 상기 스프레이 열분해 장치는, 상기 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말로서 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자를 형성하고, 비교예로서 Gd2O3 를 형성할 수 있다.Referring to FIG. 4 , in the spray pyrolysis apparatus, Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles may be formed as the bismuth-containing gadolinium oxide powder, and Gd 2 O 3 may be formed as a comparative example.

상기 혼합 용액은 연동펌프(peristatic pump)를 이용하여 이송되고, 공기와 같은 캐리어 가스가 별도의 경로를 통하여 이송되어 초음파 분무기(ultrasonic nebulizer)에 장입된다. 상기 캐리어 가스는 약 45 L/min의 유량으로 이송된다. 상기 초음파 분무기는 1.7 MHz의 여섯 개의 진동기를 가질 수 있고 냉각수(cooling water)에 의하여 냉각될 수 있다. 상기 초음파 분무기에서 상기 혼합 용액은 아토마이징되어 액적을 형성한다. 상기 액적은 40 L/min의 유량의 공기에 의하여 850 내지 950℃ 범위의 온도로 유지되는 석영 반응기(quartz reactor)에 장입되어, 반응하여 반응물을 형성한다. 상기 석영 반응기의 치수는 예를 들어 55 mm 직경, 150 cm 길이를 가질 수 있다. 상기 반응물은 테플론 백 필터(Teflon bag filter)에 의하여 분말이 추출된다. 잔류물은 후드(hood)로 배출되고, 트랩(trap)에 의하여 필터링될 수 있다.The mixed solution is transferred using a peristatic pump, and a carrier gas such as air is transferred through a separate path and charged into an ultrasonic nebulizer. The carrier gas is delivered at a flow rate of about 45 L/min. The ultrasonic atomizer may have six vibrators of 1.7 MHz and may be cooled by cooling water. In the ultrasonic atomizer, the mixed solution is atomized to form droplets. The droplets are charged into a quartz reactor maintained at a temperature in the range of 850 to 950° C. by air at a flow rate of 40 L/min, and react to form reactants. The dimensions of the quartz reactor may for example have a diameter of 55 mm and a length of 150 cm. The reactant is powdered by a Teflon bag filter. The residue may be discharged into a hood and filtered by a trap.

다시 도 1을 참조하면, 상기 모재의 분말과 상기 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 혼합하여 복합물 혼합 분말을 형성하는 단계(S130)를 수행한다. 이 때, 앞서 설명한 바와 같이 상기 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말은 상기 복합물 혼합 분말 전체에 대하여 1 내지 3 중량%로 포함되는 것이 바람직한데, 앞서 설명한 바와 같이 상기 가돌리늄계 산화물 분말이 1 중량% 미만 포함되면, 상기 모재 내 가돌리늄계 산화물 분말이 포함되는 양이 미비하여 캐리어 농도가 증가되는 효과를 기대하기 어려우며, 상기 가돌리늄계 산화물 분말로 인하여 포논 산란이 증가되고 열전도도가 감소되는 등 전기적 특성이 향상되는 것을 기대하기 어렵다. Referring back to FIG. 1 , a step ( S130 ) of forming a composite powder mixture by mixing the powder of the base material and the bismuth-containing gadolinium oxide powder is performed. At this time, as described above, the bismuth-containing gadolinium oxide powder is preferably included in an amount of 1 to 3% by weight based on the total amount of the composite mixed powder. As described above, when the gadolinium-based oxide powder is included in less than 1% by weight, It is difficult to expect the effect of increasing the carrier concentration because the amount of gadolinium-based oxide powder included in the base material is insufficient, and electrical properties such as increased phonon scattering and reduced thermal conductivity are expected due to the gadolinium-based oxide powder hard to do

반대로, 상기 가돌리늄계 산화물 분말이 3 중량%를 초과하면, 모재 내 가돌리늄계 산화물이 과도하여 상기 모재 내 전자의 흐름을 방해하는 불순물로 작용할 수 있다. 이는 전기전도도가 감소하는 원인이 될 수 있으며, 결과적으로 성능지수가 감소하는 원인이 될 수 있다. 이러한 이유로 상기 가돌리늄계 산화물은 1 내지 3 중량% 포함되는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 2 중량% 포함될 수 있다. Conversely, when the gadolinium-based oxide powder exceeds 3 wt%, the gadolinium-based oxide in the base material is excessive and may act as an impurity that interferes with the flow of electrons in the base material. This may cause the electrical conductivity to decrease, which in turn may cause the figure of merit to decrease. For this reason, the gadolinium-based oxide is preferably included in an amount of 1 to 3 wt%, and more preferably 2 wt%.

이어서, 도 1의 상기 복합물 혼합 분말을 볼밀링하는 단계(S140)를 수행한다. 상기 볼밀링하는 단계(S140)는, 10:1 내지 20:1 범위의 밀링볼 대 복합물 혼합 분말의 중량 비율, 500 내지 1000 rpm 범위의 밀링 속도, 및 10 내지 30분 범위의 볼밀링 시간 동안 수행될 수 있다.Then, the step (S140) of ball milling the composite mixed powder of FIG. 1 is performed. The ball milling step (S140) is performed for a weight ratio of the milling ball to the composite mixed powder in the range of 10:1 to 20:1, a milling speed in the range of 500 to 1000 rpm, and a ball milling time in the range of 10 to 30 minutes. can be

이어서, 도 1의 상기 복합물 혼합 분말을 스파크 플라즈마 소결하는 단계(S150)를 수행한다. 상기 스파크 플라즈마 소결하는 단계(S150)는, 400 내지 500℃ 범위의 온도와 30 내지 70 MPa의 압력에서 1 내지 20분 동안 수행될 수 있다.Then, the spark plasma sintering step (S150) of the composite mixed powder of FIG. 1 is performed. The spark plasma sintering (S150) may be performed at a temperature in a range of 400 to 500°C and a pressure in a range of 30 to 70 MPa for 1 to 20 minutes.

본 발명의 기술적 사상에 따른 BiSbTe계 열전 재료는, BiSbTe계 모재; 및 상기 BiSbTe계 모재에 분산된 Gd2-xBixO3 (0<x<0.03) 나노 입자를 포함한다.BiSbTe-based thermoelectric material according to the technical spirit of the present invention, BiSbTe-based base material; and Gd 2-x Bi x O 3 (0<x<0.03) nanoparticles dispersed in the BiSbTe-based base material.

상기 BiSbTe계 모재는 Bi0.5Sb1.5Te3을 포함할 수 있다. 상기 Gd2-xBixO3 나노 입자는 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자를 포함할 수 있다. 상기 Gd2-xBixO3 나노 입자는 상기 BiSbTe계 열전 재료 전체에 대하여 1 내지 3 중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게 2 중량%로 포함될 수 있다. 상기 Gd2-xBixO3 나노 입자는 10 내지 100 nm 범위의 크기를 가질 수 있다. 상기 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자는 회전 타원체형 응집물로서 구성될 수 있다. 상기 BiSbTe계 열전 재료는

Figure pat00003
삼방정계 구조를 가질 수 있다.The BiSbTe-based base material may include Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 . The Gd 2-x Bi x O 3 nanoparticles may include Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles. The Gd 2-x Bi x O 3 nanoparticles may be included in an amount of 1 to 3 wt%, preferably 2 wt%, based on the total weight of the BiSbTe-based thermoelectric material. The Gd 2-x Bi x O 3 nanoparticles may have a size in the range of 10 to 100 nm. The Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles may be configured as spheroid-shaped aggregates. The BiSbTe-based thermoelectric material is
Figure pat00003
It may have a trigonal structure.

실험예Experimental example

이하에서는 본 발명의 기술적 일실시예에 따른 실험예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 하기의 실험예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, an experimental example according to a technical embodiment of the present invention will be described. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the following experimental examples.

이하에서는, "BiSbTe"는 Bi0.5Sb1.5Te3를 지칭하고, 단독으로 기재된 경우에는 하기의 가돌리뮴계 나노 물질이 분산되지 않은 Bi0.5Sb1.5Te3 물질을 지칭한다. "BiSbTe/Gd2O3" 는 Bi0.5Sb1.5Te3에 2 중량%의 Gd2O3 나노 물질이 분산된 물질을 지칭한다. "BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3" 는 Bi0.5Sb1.5Te3에 2 중량%의 Gd1.98Bi0.02O3 나노 물질이 분산된 물질을 지칭한다.Hereinafter, "BiSbTe" refers to Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , and when described alone, refers to a Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 material in which the following gadolymium-based nanomaterials are not dispersed. “BiSbTe/Gd 2 O 3 ” refers to a material in which 2 wt% of Gd 2 O 3 nanomaterials are dispersed in Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 . “BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 ” refers to a material in which 2 wt% of Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanomaterials are dispersed in Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 .

[제조예 1][Production Example 1]

BiSbTe계 나노 입자 제조BiSbTe-based nanoparticles production

높은 순도(99.99%, Alfa Aesar)의 원소로서 Bi, Sb, 및 Te를 화학양론적 조성으로 혼합하여 혼합물을 형성하였다. 상기 혼합물을 그라파이트 도가니에 장입하고, 고주파 유도로를 이용하여 아르곤 가스 분위기에서 융해하였다. 이어서, 가스 아토마이저를 이용하여 질소 분위기에서 융해된 융해물을 아토마이징하였다. 이에 따라, Bi0.5Sb1.5Te3 나노 입자들을 분말로서 형성하였다.Bi, Sb, and Te as elements of high purity (99.99%, Alfa Aesar) were mixed in a stoichiometric composition to form a mixture. The mixture was charged into a graphite crucible and melted in an argon gas atmosphere using a high-frequency induction furnace. Then, the molten material melted in a nitrogen atmosphere was atomized using a gas atomizer. Accordingly, Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 nanoparticles were formed as a powder.

[제조예 2][Production Example 2]

GdGd 1.981.98 BiBi 0.020.02 OO 33 나노 입자 제조 Nanoparticle Manufacturing

한편, 하기와 같이 스프레이 열분해를 이용하여 Gd2O3 나노 입자와 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자를 형성하였다. 시작물질로서 Gd(NO3)3, Bi(NO3)3, 및 C2H6O2을 사용하였고, 이들을 원하는 조성으로 혼합하여 혼합 용액을 형성하였다. 예를 들어, 상기 혼합 용액들은, 순수한 물에 0.3 M의 가돌리늄 질화물(Gd(NO3)3)을 용해하고, 0.375 M의 비스무트 질화물 전구체(Bi(NO3)3) 및 에틸렌 글리콜(ethylene glycol, C2H6O2)을 용해하여 준비하였다. 상기 혼합 용액들은 초음파 분무기를 이용하여 아토마이징하여 액적을 형성하였다. 상기 액적을 40 L/min의 유량의 공기에 의하여 약 900℃의 온도로 유지되는 석영 반응기 내로 이동시킨다. 최종적으로, 상기 석영 반응기의 말단에 설치된 테플론 백 필터에 의하여 분말을 추출하였다. 상기 분말은 약 1000℃ 에서 3시간 동안 산화 분위기로 열처리하였다. 이에 따라, Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자를 제조하였다. Meanwhile, Gd 2 O 3 nanoparticles and Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles were formed by spray pyrolysis as follows. As starting materials, Gd(NO 3 ) 3 , Bi(NO 3 ) 3 , and C 2 H 6 O 2 were used, and they were mixed to a desired composition to form a mixed solution. For example, the mixed solutions are prepared by dissolving 0.3 M of gadolinium nitride (Gd(NO 3 ) 3 ) in pure water, and 0.375 M of a bismuth nitride precursor (Bi(NO 3 ) 3 ) and ethylene glycol; C 2 H 6 O 2 ) was prepared by dissolving. The mixed solutions were atomized using an ultrasonic atomizer to form droplets. The droplets are moved into a quartz reactor maintained at a temperature of about 900° C. by air at a flow rate of 40 L/min. Finally, the powder was extracted by a Teflon bag filter installed at the end of the quartz reactor. The powder was heat-treated at about 1000° C. for 3 hours in an oxidizing atmosphere. Accordingly, Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles were prepared.

[제조예 3][Production Example 3]

GdGd 1.991.99 BiBi 0.010.01 OO 33 나노 입자 제조 Nanoparticle Manufacturing

상기 제조예 2에서 가돌리늄 질화물(Gd(NO3)3)을 0.3 M, 상기 비스무트 질화물 전구체(Bi(NO3)3) 을 0.18 M 혼합한 것 외 모든 과정을 상기 제조예 1과 동일하게 수행하여 Gd1.99Bi0.01O3 나노 입자를 제조하였다. In Preparation Example 2, gadolinium nitride (Gd(NO 3 ) 3 ) was mixed with 0.3 M, and the bismuth nitride precursor (Bi(NO 3 ) 3 ) was mixed with 0.18 M. All processes were performed in the same manner as in Preparation Example 1, Gd 1.99 Bi 0.01 O 3 nanoparticles were prepared.

[비교 제조예 1][Comparative Preparation Example 1]

GdGd 22 OO 33 나노 입자 제조Nanoparticle Manufacturing

상기 제조예 2에서 시작물질 중에 Bi(NO3)3를 제외하는 것 외 모든 과정을 제조예 2와 동일하게 수행하여 Gd2O3 나노 입자를 형성하였다. In Preparation Example 2, all processes except for Bi(NO 3 ) 3 in the starting material were performed in the same manner as in Preparation Example 2 to form Gd 2 O 3 nanoparticles.

[실시예 1][Example 1]

상기 제조예 1로 제조된 BiSbTe계 나노 입자, 즉 Bi0.5Sb1.5Te3 나노 입자와 상기 제조예 2로 제조된 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자를 합성한 후에, 가스 아토마이징으로 혼합하여 Bi0.5Sb1.5Te3 나노 입자와 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자가 혼합된 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 복합물 혼합 분말을 형성하였다. 이 때, Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자는 복합물 혼합 분말 전체에 대하여 2 중량%로 포함되도록 혼합하였다.BiSbTe-based nanoparticles prepared in Preparation Example 1, that is, Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 nanoparticles and Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles prepared in Preparation Example 2 were synthesized, and then mixed by gas atomizing to obtain Bi 0.5 A BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 composite powder in which Sb 1.5 Te 3 nanoparticles and Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles are mixed was formed. At this time, Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles were mixed to be included in an amount of 2% by weight based on the entire composite mixed powder.

이어서, BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 복합물 혼합 분말을 각각 볼밀링하였다. 상기 볼밀링은 매우 순수한 아르곤 분위기 하에서 글러브 박스 내에서 동작하는 유성볼밀(planetary ball mill) 내에 장입된 지르코니아 밀링 매질을 가지는 지르코니아 용기 내에서, 기계적으로 밀링되었다. 상기 볼밀링에서 15:1의 밀링볼 대 복합물 혼합 분말의 중량 비율, 800 rpm의 밀링 속도 및 20분의 볼밀링 시간 동안 수행되었다.Then, each of the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 composite mixed powder was ball milled. The ball milling was mechanically milled in a zirconia vessel having a zirconia milling medium charged into a planetary ball mill operating in a glove box under a very pure argon atmosphere. In the above ball milling, a weight ratio of the milling balls to the composite mixed powder of 15:1, a milling speed of 800 rpm, and a ball milling time of 20 minutes were performed.

마지막으로, 상기 복합물 혼합 분말들은 450℃의 온도와 50 MPa의 압력에서 10분 동안 스파크 플라즈마 소결(SPS) 방법을 이용하여 소결하여 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3을 제조한다. Finally, the composite mixed powders were sintered using a spark plasma sintering (SPS) method at a temperature of 450° C. and a pressure of 50 MPa for 10 minutes to prepare BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 .

[실시예 2][Example 2]

상기 실시예1 에서 상기 제조예 2로 제조된 Bi0.5Sb1.5Te3와 상기 제조예 3으로 제조된 Gd1.99Bi0.01O3나노 입자를 합성한 것 외 모든 과정을 상기 제조예 1과 동일하게 수행하여 BiSbTe/Gd1.99Bi0.01O3 을 제조한다. In Example 1, Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 prepared in Preparation Example 2 and Gd 1.99 Bi 0.01 O 3 nanoparticles prepared in Preparation Example 3 were synthesized in the same manner as in Preparation Example 1, except for synthesizing the nanoparticles. to prepare BiSbTe/Gd 1.99 Bi 0.01 O 3 .

[비교예 1][Comparative Example 1]

상기 제조예 1로 제조된 Bi0.5Sb1.5Te3를 준비한다.Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 prepared in Preparation Example 1 is prepared.

[비교예 2][Comparative Example 2]

상기 실시예1 에서 상기 비교 제조예 1로 제조된 Bi0.5Sb1.5Te3에 Gd2O3 나노 입자를 합성한 것 외 모든 과정을 상기 제조예 1과 동일하게 수행하여 BiSbTe/Gd2O3 을 제조한다. BiSbTe/Gd 2 O 3 was prepared in the same manner as in Preparation Example 1 except for synthesizing Gd 2 O 3 nanoparticles in Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 prepared in Comparative Preparation Example 1 in Example 1 manufacture

[비교예 3] [Comparative Example 3]

상기 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자를 복합물 혼합 분말 전체에 대하여 0.5 중량%로 포함되도록 혼합한 것 외 모든 과정을 상기 제조예 1과 동일하게 수행하였다.All processes were performed in the same manner as in Preparation Example 1, except that the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles were mixed to be included in an amount of 0.5 wt % based on the total amount of the composite mixed powder.

[비교예 4] [Comparative Example 4]

상기 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자를 복합물 혼합 분말 전체에 대하여 5 중량%로 포함되도록 혼합한 것 외 모든 과정을 상기 제조예 1과 동일하게 수행하였다.All processes were performed in the same manner as in Preparation Example 1, except that the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles were mixed in an amount of 5% by weight based on the total amount of the composite mixed powder.

이상 상술한 과정에 따라 제조한 실시예 및 비교예는 하기 표 1과 같다. 이하 상기 실시예 1 내지 2 및 상기 비교예 1 내지 4로 제조된 열전물질을 BiSbTe계 열전물질로 정의한다. Examples and Comparative Examples prepared according to the above-described process are shown in Table 1 below. Hereinafter, the thermoelectric materials prepared in Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 4 are defined as BiSbTe-based thermoelectric materials.

모재base material 가돌리늄 산화물gadolinium oxide 혼합비mixing ratio 화학식chemical formula 실시예 1Example 1 제조예 1Preparation Example 1 제조예 2Preparation 2 2 중량%2% by weight BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 실시예 2Example 2 제조예 1Preparation Example 1 제조예 3Preparation 3 2 중량%2% by weight BiSbTe/Gd1.99Bi0.01O3 BiSbTe/Gd 1.99 Bi 0.01 O 3 비교예 1Comparative Example 1 제조예 1Preparation Example 1 - - -- BiSbTeBiSbTe 비교예 2Comparative Example 2 제조예 1Preparation Example 1 비교 제조예 1Comparative Preparation Example 1 2 중량%2% by weight BiSbTe/Gd2O3 BiSbTe/Gd 2 O 3 비교예 3Comparative Example 3 제조예 1Preparation Example 1 제조예 2Preparation 2 0.5 중량%0.5% by weight BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 비교예 4Comparative Example 4 제조예 1Preparation Example 1 제조예 2Preparation 2 5 중량%5% by weight BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3

BiSbTe계 열전물질의 특성분석Characterization of BiSbTe-based thermoelectric materials

상기BiSbTe계 열전물질의 X-선 회절특성 분석은 고에너지 단색광 CuKα 방사 및 Kβ 필터를 가지는 X-선 분광기(Rigaku, MiniFlex-600, Japan)를 이용하여 상온에서 수행하였다.X-ray diffraction characteristics of the BiSbTe-based thermoelectric material were analyzed at room temperature using an X-ray spectrometer (Rigaku, MiniFlex-600, Japan) having high-energy monochromatic CuK α radiation and a K β filter.

상기 BiSbTe계 열전물질의 벌크 샘플의 미세구조는 에너지-분산 X-선 분광기(EDS)가 설치된 주사전자현미경(FESEM-MIRA-LMH II, TESKAN)을 이용하여 분석하였다.The microstructure of the bulk sample of the BiSbTe-based thermoelectric material was analyzed using a scanning electron microscope (FESEM-MIRA-LMH II, TESKAN) equipped with an energy-dispersive X-ray spectrometer (EDS).

상기 BiSbTe계 열전물질의 제백 계수 및 전기전도도 등의 열전 특성들은 열전 측정 시스템(TEP-1000, Seepel)을 이용하여 300 내지 500 K 범위에서 측정하였다.Thermoelectric properties such as Seebeck coefficient and electrical conductivity of the BiSbTe-based thermoelectric material were measured in a range of 300 to 500 K using a thermoelectric measurement system (TEP-1000, Seepel).

상기 BiSbTe계 열전물질의 열확산율(D)은 레이저 플래쉬 방법(Netzsch LFA 457 system)을 이용하여 측정하였다.The thermal diffusivity (D) of the BiSbTe-based thermoelectric material was measured using a laser flash method (Netzsch LFA 457 system).

상기 BiSbTe계 열전물질의 비열용량(Cp)은 열분석기(Perkin Elmer DSC-8000)를 이용하여 측정하였다. 이어서, 열전도도(κ)는 κ = dCpD의 관계식을 이용하여 산출하였다. 여기에서, "d"는 아르키메데스 원리에 의하여 측정된 샘플의 밀도이다. The specific heat capacity (C p ) of the BiSbTe-based thermoelectric material was measured using a thermal analyzer (Perkin Elmer DSC-8000). Then, the thermal conductivity (κ) was calculated using the relational expression of κ = dC p D . Here, "d" is the density of the sample measured by Archimedes principle.

상기 BiSbTe계 열전물질의 캐리어 농도(nc) 및 이동도(μc)는 홀(Hall) 측정 시스템 (Ecopia HMS-3000)을 이용하여 측정하였다.The carrier concentration (n c ) and mobility (μ c ) of the BiSbTe-based thermoelectric material were measured using a Hall measurement system (Ecopia HMS-3000).

상기 BiSbTe계 열전물질의 벌크 샘플들의 투과전자현미경 분석은 JEOL 2010 고해상도 투과전자현미경(JEOL 2010 HRTEM)을 이용하여 수행하였다. Transmission electron microscope analysis of bulk samples of the BiSbTe-based thermoelectric material was performed using a JEOL 2010 high-resolution transmission electron microscope (JEOL 2010 HRTEM).

결과 및 논의Results and discussion

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료에 포함되는 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자들의 투과전자현미경 사진 및 EDS 맵핑 사진들이다.5 is a transmission electron microscope photograph and EDS mapping photographs of Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles included in the BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자들에는 가돌리늄(Ga)과 산소(O)가 균일하게 분포하고 있고, 상기 나노 입자들에 비스무트(Bi)가 매우 적은 양으로 균일하게 분포함을 알 수 있다.Referring to FIG. 5 , gadolinium (Ga) and oxygen (O) are uniformly distributed in Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles, and bismuth (Bi) is uniformly distributed in a very small amount in the nanoparticles. can be known

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 X-선 회절 패턴들을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing X-ray diffraction patterns of a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, BiSbTe, Gd2O3 분말, Gd1.98Bi0.02O3 분말, BiSbTe/Gd2O3, 및 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 에 대한 X-선 회절 패턴들이 나타나있다. "BST"는 BiSbTe를 지칭한다.Referring to FIG. 6 , X-ray diffraction patterns for BiSbTe, Gd 2 O 3 powder, Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 powder, BiSbTe/Gd 2 O 3 , and BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 are shown. “BST” refers to BiSbTe.

JCPDF # 12-0797로 표시된 Gd2O3 의 회절 피크들은 Gd2O3 분말 및 Gd1.98Bi0.02O3 분말에서는 나타나지만, 상기 BiSbTe계 모재에 Gd2O3 또는 Gd1.98Bi0.02O3 가 각각 결합된 BiSbTe/Gd2O3, 및 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 에서는 상기 회절 피크들이 나타나지 않는다. 이를 대신하여, BiSbTe/Gd2O3, 및 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 에서는 JCPDF#49-1713로 표시된 상기 BiSbTe계 모재에 상응한 피크들이 나타난다. 즉, 상기 BiSbTe계 모재, 상기 BiSbTe/Gd2O3, 및 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 는 전체적으로

Figure pat00004
삼방정계(rhombohedral) 구조를 가짐을 알 수 있다.Gd 2 O 3 diffraction peaks indicated by JCPDF # 12-0797 appear in Gd 2 O 3 powder and Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 powder, but Gd 2 O 3 or Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 is bonded to the BiSbTe-based base material, respectively. The diffraction peaks do not appear in BiSbTe/Gd 2 O 3 and BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 . Instead, in BiSbTe/Gd 2 O 3 , and BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 , peaks corresponding to the BiSbTe-based base material indicated by JCPDF#49-1713 appear. That is, the BiSbTe-based base material, the BiSbTe/Gd 2 O 3 , and the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 as a whole
Figure pat00004
It can be seen that it has a rhombohedral structure.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 투과전자현미경 사진들이다.7 is a transmission electron micrograph of a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, (a)는 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 나노 복합물의 저배율 투과전자현미경 사진이고, (b) 및 (c)는 BiSbTe계 모재 내에 분산된 Gd1.98Bi0.02O3 의 고배율 투과전자현미경 사진들이고, (d)는 (c)에서 표시된 영역의 고해상도 투과전자현미경 사진이다. (d)의 내부 사진은 Gd1.98Bi0.02O3 의 푸리에 변환 회절 패턴을 나타낸다.Referring to FIG. 7 , (a) is a low magnification transmission electron micrograph of a BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanocomposite, and (b) and (c) are high magnifications of Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 dispersed in a BiSbTe-based base material. These are transmission electron micrographs, and (d) is a high-resolution transmission electron micrograph of the area indicated in (c). (d) shows the Fourier transform diffraction pattern of Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 .

상기 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자들은 다각형 형상을 가지고, 약 300 nm의 크기를 가지는 분산질(dispersoid)로서 다수 발견됨을 알 수 있다. 상기 BiSbTe계 모재와 상기 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자들 사이의 계면들이 명확하게 나타난다. 상기 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자들은 주로 결정립계에서 관찰된다.It can be seen that the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles have a polygonal shape and are found in many dispersoids having a size of about 300 nm. Interfaces between the BiSbTe-based base material and the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles are clearly visible. The Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles are mainly observed at grain boundaries.

이어서, 상기 BiSbTe계 모재와 상기 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자들 사이의 계면에 대하여 분석하였다. 도 7의 (d)와 같이 상기 BiSbTe계 모재와 상기 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자 사이의 계면들은 명백하게 나타났다. 푸리에 변환 회절 패턴에서 나타나는 반사들은 상기 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자들에 의함을 알 수 있다. 따라서, 상기 Gd1.98Bi0.02O3 입자들은 상기 BiSbTe계 모재 내에 잘 분산되어 위치함을 알 수 있다. 이러한 계면들 및 나노 결정입계들은 포논 산란을 증가시키고, 열전도도를 감소시킬 것으로 분석된다.Then, the interface between the BiSbTe-based base material and the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles was analyzed. As shown in (d) of FIG. 7 , the interfaces between the BiSbTe-based base material and the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles were clearly seen. It can be seen that the reflections appearing in the Fourier transform diffraction pattern are due to the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles. Accordingly, it can be seen that the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 particles are well dispersed in the BiSbTe-based base material. It is analyzed that these interfaces and nanocrystal grain boundaries increase phonon scattering and decrease thermal conductivity.

상기 BiSbTe계 열전물질의 특성을 측정하였으며, 구체적으로 상기 실시예 1 내지 2 및 상기 비교예 1 내지 5에 대한 상온에서의 캐리어 농도(n, 단위는 1019 cm-3) 및 캐리어 이동도(μ, 단위는 102 cm2V-1s-1)를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. The properties of the BiSbTe-based thermoelectric material were measured, and specifically, the carrier concentration (n, unit is 10 19 cm -3 ) and carrier mobility (μ) at room temperature for Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 5. , the unit is 10 2 cm 2 V -1 s -1 ) was measured and shown in Table 2 below.

조성Furtherance 캐리어 농도
(n,cm-3)
carrier concentration
(n,cm -3 )
캐리어 이동도
(μ,cm2V-1s-1)
carrier mobility
(μ,cm 2 V -1 s -1 )
실시예 1Example 1 BiSbTe/Gd1.98B0.02O3 BiSbTe/Gd 1.98 B 0.02 O 3 1.321.32 2.3652.365 실시예 2Example 2 BiSbTe/Gd1.99B0.01O3 BiSbTe/Gd 1.99 B 0.01 O 3 1.2301.230 2.3182.318 비교예 1Comparative Example 1 BiSbTeBiSbTe 0.8660.866 2.732.73 비교예 2Comparative Example 2 BiSbTe/Gd2O3 BiSbTe/Gd 2 O 3 1.1361.136 2.282.28 비교예 3Comparative Example 3 BiSbTe/Gd1.98B0.02O3 BiSbTe/Gd 1.98 B 0.02 O 3 1.0621.062 2.6752.675 비교예 4Comparative Example 4 BiSbTe/Gd1.98B0.02O3 BiSbTe/Gd 1.98 B 0.02 O 3 0.9260.926 2.622.62

표 2를 참조하면, 상기 비스무트(Bi)의 함량이 0<x<0.03을 만족하는 실시예 1 내지 2로 제조한 BiSbTe계 열전 재료는 캐리어 농도와 이동도가 큰 변화 없이 동등한 수준을 유지하고 있는 것을 확인할 수 있다. Referring to Table 2, the BiSbTe-based thermoelectric materials prepared in Examples 1 and 2 in which the bismuth (Bi) content satisfies 0<x<0.03 maintains the same level without significant change in carrier concentration and mobility. can check that

구체적으로 상기 가돌리늄 산화물을 포함하지 않은 비교예 1에 비해 캐리어 농도가 0.364 내지 0.454 cm-3 증가하였으며, Gd2O3을 포함하는 비교예 2에 비해 0.094 내지 0.184cm-3 증가하였다. Specifically, the carrier concentration was increased by 0.364 to 0.454 cm -3 compared to Comparative Example 1 not containing the gadolinium oxide, and from 0.094 to 0.184 cm -3 compared to Comparative Example 2 containing Gd 2 O 3 . increased.

반면 캐리어 이동도는 2.365 cm2V-1s-1 및 2.315 cm2V-1s-1로 비교예 1의 2.73 cm2V-1s-1에 비해 감소하였다. 상기 캐리어 이동도가 감소한 이유는 나노 분산된 Gd1.98B0.02O3 Gd1.99B0.01O3로 인하여 캐리어가 산란되었기 때문으로 분석된다. 즉, 상기 Gd1.98B0.02O3 Gd1.99B0.01O3로 인하여 상기 캐리어 농도는 증가되지만 캐리어 이동도는 감소되며, 이들의 조합에 의해 결정되는 전기전도도가 증가한다는 것을 의미한다. On the other hand, the carrier mobility was reduced to 2.365 cm 2 V -1 s -1 and 2.315 cm 2 V -1 s -1 compared to the 2.73 cm 2 V -1 s -1 of Comparative Example 1. The reason for the decrease in carrier mobility is nano-dispersed Gd 1.98 B 0.02 O 3 and It is analyzed that carriers are scattered due to Gd 1.99 B 0.01 O 3 . That is, the Gd 1.98 B 0.02 O 3 and Due to Gd 1.99 B 0.01 O 3 , the carrier concentration is increased but carrier mobility is decreased, which means that the electrical conductivity determined by the combination thereof increases.

구체적으로 BiSbTe계 열전 재료의 온도에 따른 전기전도도를 나타내는 도 8을 참조하면, 실시예 1(BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3), 비교예 1(BiSbTe) 및 비교예 2(BiSbTe/Gd2O3)에 대한 온도에 따른 전기전도도가 나타나있다. 모든 경우에서, 온도가 증가함에 따라 상기 전기전도도가 감소되는 경향을 나타냈다. 구체적으로, 450K 이하에서는 온도 증가에 따라 상기 전기전도도가 감소되었다. 반면, 450K 이상에서는 온도 증가에 따라 전기전도도가 다소 증가되는 경향을 가지며, 특히 상기 BiSbTe/Gd2O3 에서 두드러졌다. 이러한 경향은 물질이 변성 반도체(degenerate semiconducting) 거동에서 진성 반도체(intrinsic semiconducting) 거동으로 변화되기 때문으로 분석된다. Specifically, referring to FIG. 8 showing the electrical conductivity according to the temperature of the BiSbTe-based thermoelectric material, Example 1 (BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 ), Comparative Example 1 (BiSbTe), and Comparative Example 2 (BiSbTe/Gd 2 O) 3 ) Electrical conductivity according to temperature is shown. In all cases, the electrical conductivity tended to decrease with increasing temperature. Specifically, at 450K or less, the electrical conductivity was decreased as the temperature increased. On the other hand, at 450K or higher, the electrical conductivity tends to slightly increase with an increase in temperature, especially in the BiSbTe/Gd 2 O 3 . This trend is analyzed because the material changes from a degenerate semiconducting behavior to an intrinsic semiconducting behavior.

또한, 가돌리늄(Gd) 산화물을 추가하면, 전기전도도의 변화가 발생함을 알 수 있다. 상기 BiSbTe와 비교하면, 상기 BiSbTe/Gd2O3 는 모든 온도 범위에 걸쳐서 전기전도도가 약 절반 이하로 감소된 수치를 나타내었다. 그러나, 상기 Gd 산화물에 비스무트를 추가한 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 는, 상기 BiSbTe와 비교하면, 모든 온도 범위에 걸쳐서 전기전도도가 증가된 수치를 나타내었고, 이러한 증가 정도는 온도가 증가됨에 따라 감소되는 경향을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 상기 BiSbTe계 모재에 Gd2O3을 추가한 경우에는, 전기전도도가 크게 감소되지만, 상기 BiSbTe계 모재에 Gd1.98Bi0.02O3 를 추가한 경우에는, 전기전도도가 상기 BiSbTe계 모재에 비하여도 증가되었다. 이는, 앞서 설명하였듯이 전기전도도 차이가 발생하는 원인이 된다. In addition, it can be seen that when gadolinium (Gd) oxide is added, a change in electrical conductivity occurs. Compared to the BiSbTe, the BiSbTe/Gd 2 O 3 exhibited a decrease in electrical conductivity by about half or less over all temperature ranges. However, the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 in which bismuth was added to the Gd oxide exhibited an increase in electrical conductivity over all temperature ranges, compared to the BiSbTe, and the degree of this increase increased as the temperature increased. It can be seen that there is a decreasing trend with Therefore, when Gd 2 O 3 is added to the BiSbTe-based base material, electrical conductivity is greatly reduced, but when Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 is added to the BiSbTe-based base material, the electrical conductivity is higher than that of the BiSbTe-based base material. was also increased. This causes a difference in electrical conductivity, as described above.

도 8에서 최대 전기전도도는 상기 BiSbTe는 300K에서 약 350Ω-1cm-1 이고, 상기 BiSbTe/Gd2O3 는 300K에서 약 190Ω-1cm-1 이고, 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 는 300 K에서 393 Ω-1cm-1 으로 나타났다.In FIG. 8 , the maximum electrical conductivity of the BiSbTe is about 350Ω -1 cm -1 at 300K, the BiSbTe/Gd 2 O 3 is about 190Ω -1 cm -1 at 300K, and the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 is 393 Ω -1 cm -1 at 300 K.

상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 는 상기 BiSbTe/Gd2O3 에 비스무트가 치환되어 포함되므로, 상기 비스무트의 치환은 전체 구조 및 전하 캐리어 농도를 보존할 수 있다. 그러나, 매우 작은 양의 비스무트를 치환하는 경우라도, 원자 구조의 특성에는 영향을 끼칠 수 있다. 즉, 상기 Gd1.98Bi0.02O3 의 나노 입자의 경우에, 원자 크기의 무질서가 감소될 수 있고, 전하 캐리어의 다른 이동 메커니즘이 발생할 수 있고, 이에 따라 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 는 증가된 전기전도도를 가질 수 있고, 동시에 증가된 제백 계수를 가질 수 있다. 반면, 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 와 비교하면, 상기 BiSbTe/Gd2O3 는 전하 캐리어의 이동이 억제되므로 전기전도도가 감소된다.BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 Since BiSbTe/Gd 2 O 3 includes bismuth substituted, the bismuth substitution may preserve the overall structure and charge carrier concentration. However, even in the case of substituting a very small amount of bismuth, the properties of the atomic structure may be affected. That is, in the case of the nanoparticles of Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 , the disorder of the atomic size may be reduced, and other transport mechanisms of charge carriers may occur, and thus BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 may be increased. It may have electrical conductivity and at the same time have an increased Seebeck coefficient. On the other hand, compared to the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 , the BiSbTe/Gd 2 O 3 suppresses the movement of charge carriers, and thus electrical conductivity is reduced.

한편, 도면에 개시되지 않았으나 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자를 복합물 혼합 분말 전체에 대하여 0.5 중량%로 포함되도록 혼합한 비교예 3 및 5 중량%로 포함되도록 혼합한 비교예 4 또한, 상기 Gd1.98Bi0.02O3 상기 캐리어 농도가 실시예 1 내지 2에 비해 감소되었음을 확인할 수 있다. On the other hand, although not disclosed in the drawings, Comparative Examples 3 and 5 in which Gd1.98Bi0.02O3 nanoparticles were mixed to be included in 0.5% by weight based on the total amount of the composite mixed powder and Comparative Example 4 in which the nanoparticles were mixed to be included in 5% by weight Also, the Gd1.98Bi0 .02O3 It can be seen that the carrier concentration was reduced compared to Examples 1 and 2.

구체적으로 상기 비교예 3은 1.062 cm-3의 캐리어 농도와 2.675 cm2V-1s-1의 캐리어 이동도를 가진다. 이는 실시예 1 내지 2에 비해 캐리어 농도가 0.168 내지 0.258 cm-3로 감소하였으며, 반면에 캐리어 이동도는 0.31 내지 0.357 cm2V-1s-1증가한 것을 의미한다. Specifically, Comparative Example 3 has a carrier concentration of 1.062 cm-3 and a carrier mobility of 2.675 cm2V-1s-1. This means that the carrier concentration was reduced to 0.168 to 0.258 cm -3 compared to Examples 1 and 2, whereas the carrier mobility was increased by 0.31 to 0.357 cm 2 V -1s -1 .

상기 비교예 4는 0.926 cm-3의 캐리어 농도와 2.62 cm2V-1s-1의 캐리어 이동도를 가진다. 이는, 실시예 1 내지 2에 비해 캐리어 농도가 0.304 내지 0.394 cm-3 감소하였으며, 반면에 캐리어 농도는 0.255 내지 0.302 cm2V-1s-1증가한 것을 의미한다. 이러한 차이가 발생한 이유는 앞서 설명한대로 상기 비교예 3은 상기 가돌리늄계 산화물 분말이 1 중량% 미만 포함되어 캐리어 농도가 증가되는 정도가 미비하였기 때문이다. 반면에 상기 비교예 4는 상기 Gd1.98Bi0.02O3이 과도하게 포함되어 오히려 전자의 이동을 방해하는 불순물로 작용하였기 때문이다. Comparative Example 4 has a carrier concentration of 0.926 cm -3 and a carrier mobility of 2.62 cm 2 V -1 s -1 . This means that, compared to Examples 1 and 2, the carrier concentration decreased from 0.304 to 0.394 cm -3 , while the carrier concentration was increased from 0.255 to 0.302 cm 2 V -1 s -1 . The reason for this difference is that, as described above, in Comparative Example 3, less than 1% by weight of the gadolinium-based oxide powder was included, so that the degree of increase in the carrier concentration was insufficient. On the other hand, in Comparative Example 4, the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 was excessively contained, and it rather acted as an impurity preventing electron movement.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 온도에 따른 제백 계수를 나타내는 그래프이다.9 is a graph illustrating a Seebeck coefficient according to a temperature of a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, BiSbTe, BiSbTe/Gd2O3 및 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 에 대한 온도에 따른 제백 계수(Seebeck coefficient)가 나타나있다. 모든 경우에서, 300 내지 350K의 온도 범위에서는 상기 제백 계수가 약간 증가되었고, 350K 이상에서는 온도가 증가됨에 따라 상기 제백 계수가 감소되었다.Referring to FIG. 9 , Seebeck coefficients according to temperature are shown for BiSbTe, BiSbTe/Gd 2 O 3 , and BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 . In all cases, the Seebeck coefficient increased slightly in the temperature range of 300 to 350K, and the Seebeck coefficient decreased with increasing temperature above 350K.

변성 반도체에 대하여, 제백 계수(S)는 하기의 식 2로 표현된다.For a denatured semiconductor, the Seebeck coefficient S is expressed by Equation 2 below.

<식 2><Equation 2>

Figure pat00005
Figure pat00005

여기에서, kB 는 볼쯔만 상수, m* 는 유효 질량, h 는 플랑크 상수, T 는 절대 온도이다.where k B is the Boltzmann constant, m * is the effective mass, h is the Planck constant, and T is the absolute temperature.

상기 식 2에 의하면, 캐리어 농도(n)가 증가됨에 따라 제백 계수(S)가 감소됨을 알 수 있다. 캐리어 농도의 증가는 부 캐리어들의 여기(excited)에 기인할 수 있다. 따라서, 온도가 증가되면, 상기 전체 캐리어 농도가 증가되므로, 온도 증가에 따라 상기 제백 계수가 감소되는 것이 설명된다. 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 은 상온(300K)에서 255.67 μVK-1 의 최대 제백 계수를 가지며, 상기 BiSbTe에 비하여 약간 증가된 수치이다.According to Equation 2, it can be seen that the Seebeck coefficient S decreases as the carrier concentration n increases. The increase in carrier concentration may be due to excited minor carriers. Thus, it is explained that as the temperature increases, the total carrier concentration increases, and thus the Seebeck coefficient decreases with increasing temperature. The BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 has a maximum Seebeck coefficient of 255.67 μVK −1 at room temperature (300K), which is slightly increased compared to the BiSbTe.

표 2에 나타난 바와 같이, 상기 BiSbTe에 비하여, 상기 BiSbTe/Gd2O3 와 상기 BiSbTe/Gd1.98B0.02O3 는 상대적으로 큰 캐리어 농도를 가지므로, 식 2에 의하면 상기 BiSbTe/Gd2O3 와 상기 BiSbTe/Gd1.98B0.02O3 의 제백 계수가 상기 BiSbTe의 제백 계수에 비하여 작아야 한다. 그러나, 실제로는 상기 BiSbTe/Gd2O3 와 상기 BiSbTe/Gd1.98B0.02O3 의 제백 계수가 상대적으로 더 크게 나타났다. 이러한 상이한 결과는, 유효 질량의 증가에 의한 상기 제백 계수의 증가에 기인하는 것으로 분석된다. 상기 유효 질량(m*)은 BiSbTe계 모재에 Gd2O3 나노 입자 또는 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자가 합체됨에 따라 증가되며, 이러한 증가는 에너지 의존 산란 또는 에너지 필터링에 기인한다. 이와 같이 증가된 유효 질량은 제백 계수를 증가시킨다. 따라서, 상기 BiSbTe/Gd2O3 와 상기 BiSbTe/Gd1.98B0.02O3 가 상기 BiSbTe에 비하여, 높은 제백 계수를 가지는 것은 유효 질량의 증가에 기인하는 것으로 분석된다.As shown in Table 2, compared to the BiSbTe, the BiSbTe/Gd 2 O 3 and the BiSbTe/Gd 1.98 B 0.02 O 3 have relatively large carrier concentrations, so according to Equation 2, the BiSbTe/Gd 2 O 3 and the Seebeck coefficient of BiSbTe/Gd 1.98 B 0.02 O 3 should be smaller than the Seebeck coefficient of BiSbTe. However, in reality, the Seebeck coefficients of the BiSbTe/Gd 2 O 3 and the BiSbTe/Gd 1.98 B 0.02 O 3 were relatively larger. It is analyzed that these different results are due to the increase of the Seebeck coefficient by the increase of the effective mass. The effective mass (m * ) increases as Gd 2 O 3 nanoparticles or Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles are incorporated into the BiSbTe-based base material, and this increase is due to energy-dependent scattering or energy filtering. This increased effective mass increases the Seebeck coefficient. Therefore, it is analyzed that the BiSbTe/Gd 2 O 3 and the BiSbTe/Gd 1.98 B 0.02 O 3 have a higher Seebeck coefficient than the BiSbTe due to an increase in effective mass.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 온도에 따른 역률을 나타내는 그래프이다.10 is a graph showing a power factor according to temperature of a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, BiSbTe, BiSbTe/Gd2O3 및 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 에 대한 온도에 따른 역률(Power factor)이 나타나있다. 모든 경우에서. 온도가 증가됨에 따라 상기 역률이 감소되었다. 상기 BiSbTe와 비교하면, 상기 BiSbTe/Gd2O3 는 모든 온도 범위에 걸쳐서 상기 역률이 작은 수치를 나타내었다. 반면, 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 는 모든 온도 범위에 걸쳐서 상기 역률이 큰 수치를 나타내었다. 상온(300K)에서 약 12% 크게 나타났다. 이러한 역률의 증가 경향은 온도가 증가됨에 따라 감소되었다.Referring to FIG. 10 , power factors according to temperature are shown for BiSbTe, BiSbTe/Gd 2 O 3 , and BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 . in all cases. The power factor decreased as the temperature increased. Compared with the BiSbTe, the BiSbTe/Gd 2 O 3 exhibited a small value for the power factor over all temperature ranges. On the other hand, the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 showed a high power factor over all temperature ranges. At room temperature (300K), it was approximately 12% larger. This increasing tendency of the power factor decreased with increasing temperature.

상기 식 1에 나타난 바와 같이, 역률은 전기전도도와 제백 계수에 비례한다. 그러므로, 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 의 증가된 역률은 제백 계수의 증가 및 전기전도도의 증가에 기인함을 알 수 있다. 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 의 역률의 최대값은 300K에서 약 2.57 x 10-3 Wm-1 K-1 이다.As shown in Equation 1 above, the power factor is proportional to the electrical conductivity and the Seebeck coefficient. Therefore, it can be seen that the increased power factor of BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 is due to an increase in Seebeck coefficient and an increase in electrical conductivity. The maximum value of the power factor of the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 is about 2.57 x 10 -3 Wm -1 K -1 at 300K.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 온도에 따른 열전도도를 나타내는 그래프이다.11 is a graph illustrating thermal conductivity according to temperature of a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, BiSbTe, BiSbTe/Gd2O3 및 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 에 대한 온도에 따른 열전도도(thermal conductivity)가 나타나있다. 모든 경우에서, 온도가 증가함에 따라 상기 열전도도가 증가되었다. 상기 BiSbTe와 비교하면, 상기 BiSbTe/Gd2O3 및 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 는 모든 온도 범위에 걸쳐서 상기 열전도도가 감소되었고, 온도가 증가됨에 따라 상기 열전도도의 차이는 더 크게 나타났다. 또한, 상기 BiSbTe/Gd2O3 및 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 는 모든 온도 범위에 걸쳐서 거의 유사한 열전도도를 나타내었다. 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 의 열전도도는 상온(300K)에서 0.89 W/mK로서, 상기 BiSbTe의 0.98 W/mK에 비하여 9% 작게 나타났다.Referring to FIG. 11 , the thermal conductivity according to temperature for BiSbTe, BiSbTe/Gd 2 O 3 and BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 is shown. In all cases, the thermal conductivity increased with increasing temperature. Compared with the BiSbTe, the BiSbTe/Gd 2 O 3 and BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 showed that the thermal conductivity decreased over all temperature ranges, and the difference in the thermal conductivity became larger as the temperature increased. In addition, the BiSbTe/Gd 2 O 3 and the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 exhibited almost similar thermal conductivity over all temperature ranges. The thermal conductivity of BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 was 0.89 W/mK at room temperature (300K), which was 9% lower than that of BiSbTe 0.98 W/mK.

일반적으로, 물질의 열전도는 전자를 통하여 열이 전도되거나 또는 격자의 진동을 통하여 열이 전도되며, 물질의 전체 열전도도(κ)는 하기의 식 3으로 표현된다.In general, heat conduction of a material is conducted through electrons or heat is conducted through lattice vibrations, and the total thermal conductivity (κ) of the material is expressed by Equation 3 below.

<식 3><Equation 3>

κ = κe + κl κ = κ e + κ l

여기에서, κe 는 전자 열전도도, κl 은 격자 열전도도이다.Here, κ e is the electronic thermal conductivity and κ l is the lattice thermal conductivity.

일반적으로, 전자 열전도도(κe)는 비데만 프란츠(Wiedemann-Franz) 법칙인 식 4에 의하여 산출될 수 있다.In general, the electronic thermal conductivity (κ e ) may be calculated by Equation 4, which is a Wiedemann-Franz law.

<식 4><Equation 4>

κe = LσTκ e = LσT

여기에서, L 은 로렌쯔 수, σ 는 전기전도도, T 는 절대온도이다.Here, L is the Lorentz number, σ is the electrical conductivity, and T is the absolute temperature.

상기 로렌쯔 수는, 표 2에 대략적인 수치가 나타나 있고, 식 5로 산출될 수 있다.The Lorentz number is shown in Table 2, and can be calculated by Equation 5.

<식 5><Equation 5>

Figure pat00006
Figure pat00006

여기에서, L 로렌쯔 수(단위는 10-8 WΩK-2), S 는 제백 계수(μVK-1) 이다.Here, L is the Lorentz number (unit is 10 -8 WΩK -2 ), S is the Seebeck coefficient (μVK -1 ).

상기 표 2를 참조하면, 상기 BiSbTe/Gd2O3 및 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 은 캐리어 농도가 상기 BiSbTe에 비하여 높은 수치를 나타내므로, 상기 BiSbTe/Gd2O3 및 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 의 전자 열전도도는 상기 BiSbTe에 비하여 크거나 또는 거의 동일할 것으로 예상된다. 따라서, 상기 식 3에 따르면, 상기 BiSbTe에 비하여 상기 BiSbTe/Gd2O3 및 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 의 열전도도가 감소되는 것은 주로 격자 열전도도(κl)가 감소되었기 때문으로 분석된다.Referring to Table 2, since the BiSbTe/Gd 2 O 3 and the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 have higher carrier concentrations than the BiSbTe, the BiSbTe/Gd 2 O 3 and the BiSbTe/Gd The electronic thermal conductivity of 1.98 Bi 0.02 O 3 is expected to be greater or almost the same as that of BiSbTe. Therefore, according to Equation 3, the reduction in the thermal conductivity of BiSbTe/Gd 2 O 3 and BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 compared to the BiSbTe is mainly due to the decrease in lattice thermal conductivity (κ l ). do.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 온도에 따른 격자 열전도도를 나타내는 그래프이다.12 is a graph showing lattice thermal conductivity according to temperature of a BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

도 12를 참조하면, BiSbTe, BiSbTe/Gd2O3 및 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 에 대한 온도에 따른 격자 열전도도(Lattce thermal conductivity)가 나타나있다. 모든 경우에서, 온도가 증가함에 따라 상기 격자 열전도도가 증가되었다. 상기 BiSbTe와 비교하면, 상기 BiSbTe/Gd2O3 및 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 는 모든 온도 범위에 걸쳐서 상기 격자 열전도도가 감소되었고, 온도가 증가됨에 따라 상기 격자 열전도도의 차이는 더 크게 나타났다. 또한, 상기 BiSbTe/Gd2O3 및 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 는 모든 온도 범위에 걸쳐서 거의 유사한 격자 열전도도의 경향을 나타내며, 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 의 격자 열전도도는 모든 온도 범위에 걸쳐서 상기 BiSbTe/Gd2O3 에 비하여 감소되었다.Referring to FIG. 12 , the lattice thermal conductivity as a function of temperature for BiSbTe, BiSbTe/Gd 2 O 3 and BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 is shown. In all cases, the lattice thermal conductivity increased with increasing temperature. Compared with the BiSbTe, the lattice thermal conductivity of BiSbTe/Gd 2 O 3 and BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 was decreased over all temperature ranges, and the difference in the lattice thermal conductivity became larger as the temperature increased. appear. In addition, the BiSbTe/Gd 2 O 3 and the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 exhibit almost similar lattice thermal conductivity trends over all temperature ranges, and the lattice thermal conductivity of the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 was all decreased compared to the BiSbTe/Gd 2 O 3 over the temperature range.

이러한 격자 열전도도의 감소는 BiSbTe 기저에 합체된 Gd2O3 나노 입자 또는 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자에 의한 포논 산란이 증가되었기 때문으로 분석된다. 특히, 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 의 상온(300K)에서 격자 열전도도(κl)는 0.70 W/mK 이며, 이는 상기 BiSbTe의 0.81 W/mK에 비하여 14% 작은 수치이다. 반면, 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 의 상온(300K)에서 전자 열전도도(κe)는 BiSbTe계 모재에 비하여 약간 크며, 이는 증가된 전기전도도(σ)에 기인한다. 또한, Gd1.98Bi0.02O3 의 계면들은 Bi0.5Sb1.5Te3내에 무작위로 분산되고, 캐리어 이동을 달성할 수 있고, 또한 나노구조의 벌크 (Bi, Sb)2Te3 에서의 계면들과 유사하게 낮은 열전도도를 가질 수 있다.This decrease in lattice thermal conductivity is analyzed to be due to increased phonon scattering by Gd 2 O 3 nanoparticles or Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles incorporated into the BiSbTe base. In particular, the lattice thermal conductivity (κ 1 ) of the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 at room temperature (300K) is 0.70 W/mK, which is 14% smaller than that of the BiSbTe 0.81 W/mK. On the other hand, the electronic thermal conductivity (κ e ) of BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 at room temperature (300K) is slightly higher than that of the BiSbTe-based base material, which is due to the increased electrical conductivity (σ). In addition, the interfaces of Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 are randomly dispersed in Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , can achieve carrier transport, and are also similar to the interfaces in the nanostructured bulk (Bi, Sb) 2 Te 3 . It may have very low thermal conductivity.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 BiSbTe계 열전 재료의 온도에 따른 성능지수를 나타내는 그래프이다.13 is a graph showing the figure of merit according to the temperature of the BiSbTe-based thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

도 13을 참조하면, BiSbTe, BiSbTe/Gd2O3 및 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 에 대한 온도에 따른 무차원의 성능지수(ZT)가 나타나있다. 모든 경우에서, 온도가 증가함에 따라 상기 성능지수가 감소되는 경향을 나타냈다. 구체적으로, 350K 이하에서는 온도 증가에 따라 상기 성능지수가 약간 증가되었다. 반면, 350K 이상에서는 온도 증가에 따라 상기 성능지수가 감소되었다. 상기 BiSbTe와 비교하면, 상기 BiSbTe/Gd2O3 는 모든 온도 범위에 걸쳐서 상기 성능지수가 작은 수치를 나타내었다. 반면, 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 는 모든 온도 범위에 걸쳐서 상기 성능지수가 큰 수치를 나타내었다.Referring to FIG. 13 , dimensionless figure of merit (ZT) according to temperature for BiSbTe, BiSbTe/Gd 2 O 3 , and BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 are shown. In all cases, the figure of merit showed a tendency to decrease with increasing temperature. Specifically, at 350 K or less, the figure of merit slightly increased as the temperature increased. On the other hand, above 350K, the figure of merit was decreased as the temperature increased. Compared to the BiSbTe, the BiSbTe/Gd 2 O 3 showed a small figure of merit over all temperature ranges. On the other hand, the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 showed a large figure of merit over all temperature ranges.

상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 는 상온(300K)에서의 0.87의 최대 성능지수를 나타내었고, 이는 상기 BiSbTe에 비하여 약 30% 증가된 수치이다. 이와 같이, 성능지수의 증가는 증가된 역률과 감소된 열전도도에 기인한 것으로 분석된다.The BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 exhibited a maximum figure of merit of 0.87 at room temperature (300K), which is an increase of about 30% compared to the BiSbTe. As such, it is analyzed that the increase in figure of merit is due to the increased power factor and decreased thermal conductivity.

결과적으로, 상기 BiSbTe 계 시스템에서, 상기 BiSbTe/Gd2O3 와 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 를 비교하면, 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 의 열전 성능이 우수함을 알 수 있다. 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 에서, 증가된 열전 성능은 BiSbTe계 모재에 포함된 비스무트(Bi)-희토류 산화물, 즉 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자들에 의한 분산으로 포논 산란이 증가되었기 때문으로 분석된다. 반면, 상기 비스무트가 치환되어도 전체 구조 유형과 전하 캐리어 농도를 보존함을 알 수 있다. 가돌리늄 산화물 내의 비스무트의 포함은 합성된 Gd2O3 의 구조 내의 결함들의 원천을 감소시키는 효과를 제공할 수 있다.As a result, when comparing the BiSbTe/Gd 2 O 3 and the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 in the BiSbTe-based system, it can be seen that the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 thermoelectric performance is excellent. In the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 , the increased thermoelectric performance is due to the increased phonon scattering due to dispersion by the bismuth (Bi)-rare earth oxide, that is, Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles contained in the BiSbTe-based base material. is analyzed as On the other hand, it can be seen that the overall structure type and charge carrier concentration are preserved even when the bismuth is substituted. The inclusion of bismuth in gadolinium oxide can provide the effect of reducing the source of defects in the structure of the synthesized Gd 2 O 3 .

결론conclusion

본 발명에 의하면, 스프레이 열분해를 이용하여 비스무트가 미포함된 희토류 산화물인 Gd2O3 과 비스무트가 포함된 희토류 산화물인 Gd1.98Bi0.02O3 를 성공적으로 제조하였다. 이어서, 볼밀링 및 스파크 플라즈마 소결 공정을 결합하여 이용함으로써, p-형 BiSbTe, BiSbTe/Gd2O3 및 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3을 성공적으로 제조하였다.According to the present invention, bismuth-free rare earth oxide Gd 2 O 3 and bismuth-containing rare earth oxide Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 were successfully prepared using spray pyrolysis. Then, by using a combined ball milling and spark plasma sintering process, p-type BiSbTe, BiSbTe/Gd 2 O 3 and BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 were successfully prepared.

상기 BiSbTe계 모재에 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자들이 합체됨에 따라, 전기전도도와 제백 계수가 동시에 증가되었고, 이러한 증가는 에너지-의존 산란과 캐리어 농도 증가에 기인한 것으로 분석된다. 또한, 상기 BiSbTe계 모재에 Gd2O3 나노 입자와 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자가 잘 분산되어 위치함으로써, 추가적인 캐리어 이송을 유도할 수 있다.As the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles were incorporated into the BiSbTe-based base material, electrical conductivity and Seebeck coefficient were simultaneously increased, and it is analyzed that this increase is due to energy-dependent scattering and an increase in carrier concentration. In addition, since the Gd 2 O 3 nanoparticles and the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles are well dispersed in the BiSbTe-based base material, additional carrier transport can be induced.

아울러 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자를 상기 BiSbTe계 열전 재료 전체 중량에 대하여 1 내지 3 중량%로 혼합함으로써, 캐리어 농도를 증가시켜 포함 효과를 나타낼 수 있다. 상기 Gd2O3 나노 입자와 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자들에 의하여 포논 산란이 증가되었고, 이에 따라 열전도도가 감소되었고, 상기 BiSbTe계 모재에 비하여 열전도도가 약 9% 감소되었다. 결과적으로, 상기 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 은 상온(300K)에서 상기 BiSbTe계 모재에 비하여 약 30% 높은 약 0.87의 최대 성능지수를 가졌다.In addition, by mixing the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles in an amount of 1 to 3 wt % based on the total weight of the BiSbTe-based thermoelectric material, the carrier concentration may be increased to exhibit an inclusion effect. Phonon scattering was increased by the Gd 2 O 3 nanoparticles and the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles, and thus the thermal conductivity was reduced, and the thermal conductivity was reduced by about 9% compared to the BiSbTe-based base material. As a result, the BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 had a maximum figure of merit of about 0.87, which was about 30% higher than that of the BiSbTe-based base material at room temperature (300K).

반면에 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자를 1중량% 미만 혼합하면 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자가 혼합되는 양이 감소하고, 이로 인하여 열전 재료의 제벡 계수 및 역률과 더불어 열전도도를 감소시켜 결과적으로 성능지수가 나빠지는 원인이 된다. 아울러, Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자가 3중량%를 초과하면 상기 Gd1.98Bi0.02O3 나노 입자 불순물로 작용하여 전기 전도도가 감소될 수 있다. On the other hand, when less than 1 wt% of Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles are mixed, the amount of Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles mixed is reduced, thereby reducing the Seebeck coefficient and power factor of the thermoelectric material as well as thermal conductivity. This causes the performance index to deteriorate. In addition, when the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles exceed 3% by weight, the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 nanoparticles may act as impurities to reduce electrical conductivity.

이러한 결과들로부터, 비스무트가 포함된 Gd 산화물을 가지는 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 이 비스무트가 미포함된 Gd 산화물을 가지는 의 BiSbTe/Gd2O3 에 비하여 우수한 열전성능을 제공할 수 있고, 더 바람직하게는 상기 Gd1.98Bi0.02O3가 1 내지 3중량% 혼합된 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3, 더욱더 바람직하게는 상기 Gd1.98Bi0.02O3가 1 내지 2중량% 혼합된 BiSbTe/Gd1.98Bi0.02O3 BiSbTe 계 물질에 첨가제로서 사용될 수 있다. 따라서, 비스무트 텔루라이드와 그 합금과 비스무트 포함된 희토류 (RE) 금속을 합금화하여, 목표 물질의 열전특성을 개선할 수 있다.From these results, BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 having Gd oxide containing bismuth can provide superior thermoelectric performance compared to BiSbTe/Gd 2 O 3 having Gd oxide containing bismuth, more preferably Preferably, the Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 is mixed with 1 to 3% by weight BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 , even more preferably 1 to 2 wt% of Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 is mixed BiSbTe/Gd 1.98 Bi 0.02 O 3 It can be used as an additive to BiSbTe-based materials. Accordingly, by alloying bismuth telluride and its alloy with a bismuth-containing rare earth (RE) metal, the thermoelectric properties of the target material may be improved.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The technical spirit of the present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is the technical spirit of the present invention that various substitutions, modifications and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which this belongs.

Claims (12)

BiaSbbTec 합금에 분산된 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료.
(상기 BiaSbbTec 합금 중 a는 0.4 내지 0.6이고, b는 1.2 내지 1.6이며, c는 2.7 내지 3.3이다.)
A hierarchical BiSbTe-based thermoelectric material comprising a gadolinium-based oxide dispersed in a Bi a Sb b Te c alloy.
(In the Bi a Sb b Te c alloy, a is 0.4 to 0.6, b is 1.2 to 1.6, and c is 2.7 to 3.3.)
제 1 항에 있어서,
상기 가돌리늄계 산화물은 Gd2-xBixO3 (0<x<0.03)인, 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료.
The method of claim 1,
The gadolinium-based oxide is Gd 2-x Bi x O 3 (0<x<0.03), a hierarchical BiSbTe-based thermoelectric material comprising a gadolinium-based oxide.
제 1 항에 있어서,
상기 가돌리늄계 산화물은 BiaSbbTec 합금에 나노 입자로 분산된 것에 특징이 있는, 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료.
The method of claim 1,
The gadolinium-based oxide is a Bi a Sb b Te c hierarchical thermoelectric material comprising a gadolinium-based oxide, characterized in that it is dispersed as nanoparticles in the alloy BiSbTe.
제 2 항에 있어서,
상기 Gd2-xBixO3 나노 입자는 상기 BiSbTe계 열전 재료 전체에 대하여 1 내지 3 중량%로 포함되는, 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료.
3. The method of claim 2,
The Gd 2-x Bi x O 3 nanoparticles are included in an amount of 1 to 3% by weight based on the total weight of the BiSbTe-based thermoelectric material, the hierarchical BiSbTe-based thermoelectric material including a gadolinium-based oxide.
제 4 항에 있어서,
상기 Gd2-xBixO3 나노 입자는 10 내지 100 nm 크기인, 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료.
5. The method of claim 4,
The Gd 2-x Bi x O 3 nanoparticles have a size of 10 to 100 nm, a hierarchical BiSbTe-based thermoelectric material comprising a gadolinium-based oxide.
제 1 항에 있어서,
상기 BiSbTe계 열전 재료는 삼방정계 구조를 가지는, 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료.
The method of claim 1,
The BiSbTe-based thermoelectric material is a hierarchical BiSbTe-based thermoelectric material including a gadolinium-based oxide having a trigonal structure.
Bi, Sb 및 Te로 이루어진 모재의 분말을 형성하는 단계;
비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 형성하는 단계;
상기 모재의 분말과 상기 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 혼합하여 복합물 혼합 분말을 형성하는 단계;
상기 복합물 혼합 분말을 볼밀링하는 단계; 및
상기 복합물 혼합 분말을 스파크 플라즈마 소결하는 단계;를 포함하는, 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료의 제조방법.
Forming a powder of a base material consisting of Bi, Sb and Te;
forming a bismuth-containing gadolinium oxide powder;
forming a composite mixed powder by mixing the powder of the base material and the bismuth-containing gadolinium oxide powder;
ball milling the composite powder mixture; and
A method of manufacturing a hierarchical BiSbTe-based thermoelectric material containing a gadolinium-based oxide, including; sintering the composite mixed powder with spark plasma.
제 7 항에 있어서,
Bi, Sb 및 Te로 이루어진 모재의 분말을 형성하는 단계는,
Bi, Sb, 및 Te를 화학양론적 조성으로 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계;
상기 혼합물을 융해하는 단계; 및
상기 융해된 혼합물을 아토마이징하여 상기 BiaSbbTec 합금으로 구성되는 모재의 분말을 형성하는 단계;를 포함하는, 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료의 제조방법.
(상기 BiaSbbTec 합금 중 a는 0.4 내지 0.6이고, b는 1.2 내지 1.6이며, c는 2.7 내지 3.3이다.)
8. The method of claim 7,
The step of forming the powder of the base material consisting of Bi, Sb and Te is,
mixing Bi, Sb, and Te in a stoichiometric composition to form a mixture;
melting the mixture; and
A method of manufacturing a hierarchical BiSbTe-based thermoelectric material containing a gadolinium-based oxide, including; atomizing the molten mixture to form a powder of a base material composed of the Bi a Sb b Te c alloy.
(In the Bi a Sb b Te c alloy, a is 0.4 to 0.6, b is 1.2 to 1.6, and c is 2.7 to 3.3.)
제 8 항에 있어서,
상기 융해하는 단계는 고주파 유도로를 이용하여 아르곤 가스 분위기에서 수행되고,
상기 아토마이징하는 단계는 가스 아토마이저를 이용하여 질소 분위기에서 수행되는, 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The melting step is performed in an argon gas atmosphere using a high-frequency induction furnace,
The atomizing step is performed in a nitrogen atmosphere using a gas atomizer, a method of manufacturing a hierarchical BiSbTe-based thermoelectric material containing a gadolinium-based oxide.
제 7 항에 있어서,
상기 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 형성하는 단계는,
가돌리늄 질화물, 비스무트 질화물 전구체, 및 에틸렌 글리콜을 혼합한 혼합 용액을 형성하는 단계;
상기 혼합 용액을 초음파 분무기를 이용하여 아토마이징하여 액적을 형성하는 단계;
상기 액적을 석영 반응기 내에서 850 내지 950℃ 범위의 온도에서 반응시켜 반응물을 형성하는 단계;
상기 반응물을 필터를 이용하여 분말을 추출하는 단계; 및
상기 분말을 950 내지 1050℃ 범위의 온도에서 산화 분위기로 열처리하여 상기 비스무트 함유 가돌리늄 산화물 분말을 형성하는 단계;를 포함하는, 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료의 제조방법
8. The method of claim 7,
Forming the bismuth-containing gadolinium oxide powder comprises:
forming a mixed solution of gadolinium nitride, a bismuth nitride precursor, and ethylene glycol;
atomizing the mixed solution using an ultrasonic atomizer to form droplets;
reacting the droplets in a quartz reactor at a temperature ranging from 850 to 950° C. to form a reactant;
extracting powder from the reactant using a filter; and
Heating the powder in an oxidizing atmosphere at a temperature in the range of 950 to 1050° C. to form the bismuth-containing gadolinium oxide powder; Method for producing a hierarchical BiSbTe-based thermoelectric material including a gadolinium-based oxide
제 7 항에 있어서,
상기 볼밀링하는 단계는,
10:1 내지 20:1 범위의 밀링볼 대 복합물 혼합 분말의 중량 비율, 500 내지 1000 rpm 범위의 밀링 속도, 및 10 분 내지 30분 범위의 볼밀링 시간 동안 수행되는, 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The step of ball milling,
A layer comprising gadolinium-based oxide, carried out for a weight ratio of milling balls to composite mixed powder ranging from 10:1 to 20:1, a milling speed ranging from 500 to 1000 rpm, and a ball milling time ranging from 10 minutes to 30 minutes A method for manufacturing a red BiSbTe-based thermoelectric material.
제 7 항에 있어서,
상기 스파크 플라즈마 소결하는 단계는,
400 내지 500℃ 범위의 온도와 30 내지 70 MPa의 압력에서 수행되는, 가돌리늄계 산화물을 포함하는 계층적 BiSbTe계 열전 재료의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The spark plasma sintering step,
A method for producing a hierarchical BiSbTe-based thermoelectric material comprising a gadolinium-based oxide, which is performed at a temperature in the range of 400 to 500° C. and a pressure in the range of 30 to 70 MPa.
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