KR101952883B1 - The thermoelectric device having improved thermoelectric efficiency - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열전 나노 와이어, 열전 나노입자 및 도핑(doping)입자를 포함하는 열전 재료의 혼합물 및 이를 소결하여 얻은 열전 소자에 관한 것이다.
구체적으로, 상기 열전 나노 와이어는 결정립이 미세하여 포논의 산란을 증대시키고, 열전 나노입자 및 도핑입자는 각각 열전도도의 감소 및 파워팩터(Power factor)를 향상시키는 효과를 가져옴으로써, 상기 열전 재료의 혼합물을 소결하여 얻은 열전 소자의 열전 효율이 우수하게 나타난다.The present invention relates to a thermoelectric material mixture comprising thermoelectric nanowires, thermoelectric nanoparticles and doping particles, and a thermoelectric element obtained by sintering the same.
Specifically, the thermoelectric nanowires have fine grain boundaries to increase the scattering of phonons, and thermoelectric nanoparticles and doped particles have the effect of reducing the thermal conductivity and improving the power factor, The thermoelectric efficiency obtained by sintering the mixture is excellent.
Description
본 발명은 열전 나노 와이어, 열전 나노입자 및 도핑(doping)입자를 포함하는 열전 재료의 혼합물 및 이를 소결하여 얻은 열전 소자에 관한 것이다.
The present invention relates to a thermoelectric material mixture comprising thermoelectric nanowires, thermoelectric nanoparticles and doping particles, and a thermoelectric element obtained by sintering the same.
일반적으로 열전재료란 재료 양단 간에 온도 차를 주었을 때 전기에너지가 생기고, 반대로 재료에 전기에너지를 주었을 때 재료 양단 간에 온도 차가 생기는 에너지 변환재료이다.Generally, a thermoelectric material is an energy conversion material in which electrical energy is generated when a temperature difference is provided between the opposite ends of a material, and a temperature difference occurs between opposite ends of the material when electric energy is given to the material.
열전 소재의 효율은 무차원의 ZT값인 다음의 식으로 정의될 수 있다. The efficiency of the thermoelectric material can be defined by the following equation, which is a dimensionless ZT value.
상기 ZT값은 전기전도도, 제백 계수에는 비례하며, 열전도도에는 반비례 관계를 갖고 있다. The ZT value is proportional to the electric conductivity and the whiteness coefficient, and is inversely related to the thermal conductivity.
상기 열전도도(κ)는 전자의 열전도도와 격자의 열전도도로 구성되며, 상기 전자의 열전도도의 경우 물질의 고유 특성으로 제어가 힘드나, 상기 격자의 열전도도의 경우, 비열, 포논(phonon)의 이동도, 포논(phonon)의 평균 자유행로에 영향을 받는 함수이기 때문에 열전도도(κ)를 감소시키기 위하여 비열, 포논(phonon)의 이동도, 포논(phonon)의 평균 자유행로를 제어하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.The thermal conductivity (κ) is formed by the thermal conductivity of the electrons and the thermal conductivity of the lattice. In the case of the thermal conductivity of the electrons, the control is difficult due to the intrinsic property of the material. In the case of the thermal conductivity of the lattice, Since phonon is a function affected by the mean free path of the phonon, it is necessary to study the specific heat, phonon mobility, phonon mean free path in order to reduce the thermal conductivity (κ) .
많은 그룹에서는 단순한 나노 구조체를 벌크(Bulk)형의 열전 소자에 삽입하는 형태를 채택함으로써, 열전도도(κ)에 영향을 미치는 포논(phonon)의 산란(scattering)의 증대 측면에만 신경을 써왔다. Many groups have focused only on increasing the scattering of phonons that affect the thermal conductivity (κ) by adopting the form of inserting a simple nanostructure into a bulk-type thermoelectric device.
하지만 상기와 같은 단순한 나노 구조체를 벌크형의 열전 소자에 삽입하는 형태는 전기전도도(σ)의 감소에도 영향을 미쳐 ZT값을 효과적으로 증대시키는 데에는 역부족이었다. However, the insertion of the simple nanostructure as described above into a bulk-type thermoelectric element also has a negative effect on the decrease of the electrical conductivity (?) And effectively increases the ZT value.
따라서, 열전 소재의 전기전도도(σ), 제백 계수(S)를 증가시키면서 동시에 열전도도(κ)를 감소시키기 위한 연구가 절실히 요구되고 있는 실정이다.
Therefore, there is a desperate need to increase the electrical conductivity (σ) and the whiteness coefficient (S) of the thermoelectric material while simultaneously reducing the thermal conductivity (κ).
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 열전 나노 와이어, 열전 나노입자 및 도핑(doping)입자를 포함하는 열전 재료의 혼합물을 제공한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a mixture of thermoelectric materials including thermoelectric nanowires, thermoelectric nanoparticles, and doping particles to solve the above problems.
또한, 본 발명은 상기 열전 재료의 혼합물을 소결하여 얻은 열전 소자를 제공한다.Further, the present invention provides a thermoelectric element obtained by sintering a mixture of the thermoelectric materials.
또한, 본 발명은 상기 열전소자를 포함하는 열전 모듈을 제공한다.
The present invention also provides a thermoelectric module including the thermoelectric element.
본 발명은 열전 나노 와이어, 열전 나노입자 및 도핑(doping)입자를 포함하는 열전 재료의 혼합물을 제공한다.The present invention provides a mixture of thermoelectric materials comprising thermoelectric nanowires, thermoelectric nanoparticles, and doping particles.
상기 열전 재료의 혼합물은 열전 나노 와이어 100 중량부에 열전 나노입자 1~10 중량부 및 도핑입자 0.1~5 중량부가 혼합된 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The mixture of thermoelectric materials may be prepared by mixing 1 to 10 parts by weight of thermoelectric nanoparticles and 0.1 to 5 parts by weight of doping particles in 100 parts by weight of thermoelectric nanowires, but is not limited thereto.
상기 열전 나노입자의 평균 입경은 0.1~50㎚일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The average particle diameter of the thermoelectric nanoparticles may be 0.1 to 50 nm, but is not limited thereto.
상기 열전 나노입자는 BixSb2 - xTe3 (상기 x는 0 < x < 2)의 조성을 갖는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The thermoelectric nanoparticles may have a composition of Bi x Sb 2 - x Te 3 (where x is 0 <x <2), but the present invention is not limited thereto.
상기 열전 나노입자는 Bi2TeySe3 -y(상기 y는 0 < x < 3)의 조성을 갖는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The thermoelectric nanoparticles may have a composition of Bi 2 Te y Se 3 -y (where y is 0 <x <3), but the present invention is not limited thereto.
상기 도핑(doping)입자의 평균 입경은 1~30㎚일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The average particle diameter of the doping particles may be 1 to 30 nm, but is not limited thereto.
상기 도핑(doping)입자는 Ce(Cerium) 또는 Yb(Ytterbium)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The doping particles may be Ce (Cerium) or Yb (Ytterbium), but are not limited thereto.
상기 열전 나노 와이어는 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 재료로부터 용매열(solvothermal) 방법 또는 수열합성(Hydrothermal Synthesis) 방법을 통하여 얻어지는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The thermoelectric nanowire may be obtained from at least two materials selected from the group consisting of Bi, Te, Sb and Se by a solvothermal method or a hydrothermal synthesis method, but is not limited thereto.
본 발명은 또한, 상기 열전 재료의 혼합물을 소결하여 얻은 열전 소자를 제공한다. The present invention also provides a thermoelectric device obtained by sintering a mixture of the thermoelectric materials.
상기 소결은 핫 프레스(Hot Press) 방법 또는 가압 통전 소결(Spark Plasma Sintering) 방법으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The sintering may be performed by a hot press method or a spark plasma sintering method, but is not limited thereto.
상기 열전 소자는 열전 나노 와이어의 소결체에 열전 나노입자 및 도핑(doping)입자가 삽입된 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The thermoelectric element may be formed by thermoelectric nanoparticles and doping particles inserted into a sintered body of thermoelectric nanowires, but is not limited thereto.
본 발명은 더 나아가 금속전극이 형성되어 서로 대향하는 상부 및 하부 절연기판과, 상기 상부 및 하부 절연기판 사이에 다수의 열전 소자를 포함하되, 상기 열전 소자는 본 발명에 따른 열전 소자이며, 상기 열전 소자는 상부 및 하부 절연기판의 금속전극을 매개로 직렬 연결되는 열전모듈을 제공한다.The present invention further relates to a thermoelectric device comprising a plurality of thermoelectric elements between an upper and a lower insulating substrate formed with metal electrodes and facing each other and between the upper and lower insulating substrates, The device provides a thermoelectric module that is connected in series via the metal electrodes of the upper and lower insulating substrates.
상기 열전모듈은 본 발명에 따른 열전 소자를 금속전극이 형성된 상부 및 하부 절연기판상에 교대로 배열하여 전기적으로 연결하여 제조한다.
The thermoelectric module is manufactured by alternately arranging the thermoelectric elements according to the present invention on upper and lower insulating substrates having metal electrodes and electrically connecting them.
본 발명에 따른 열전 소자는 열전 나노 와이어, 열전 나노입자 및 도핑입자를 포함하는 열전 재료의 혼합물을 소결하여 얻으며, 열전 효율이 우수하다. The thermoelectric element according to the present invention is obtained by sintering a mixture of thermoelectric materials including thermoelectric nanowires, thermoelectric nanoparticles and doped particles, and has excellent thermoelectric efficiency.
구체적으로, 상기 열전 나노 와이어는 결정립이 미세하여 포논의 산란을 증대시키고, 열전 나노입자 및 도핑입자는 각각 열전도도의 감소 및 파워팩터(Power factor)를 향상시키는 효과를 가져오므로, 상기 열전 재료의 혼합물을 소결하여 얻은 열전 소자의 열전 효율이 우수하게 나타난다.
Specifically, the thermoelectric nanowires have fine grain boundaries to increase the scattering of phonons, and thermoelectric nanoparticles and doped particles have the effect of reducing the thermal conductivity and improving the power factor, The thermoelectric efficiency of the thermoelectric device obtained by sintering the mixture is excellent.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 열전 재료의 혼합물을 소결하여 열전 소자를 만드는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.FIG. 1 schematically illustrates a process of forming a thermoelectric device by sintering a mixture of thermoelectric materials according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
본 발명은 열전 나노 와이어, 열전 나노입자 및 도핑(doping)입자를 포함하는 열전 재료의 혼합물을 제공한다.The present invention provides a mixture of thermoelectric materials comprising thermoelectric nanowires, thermoelectric nanoparticles, and doping particles.
또한, 본 발명은 상기 열전 재료의 혼합물을 소결하여 얻은 열전 소자도 제공한다. The present invention also provides a thermoelectric element obtained by sintering a mixture of the thermoelectric materials.
상기 열전 소자의 효율은 무차원의 ZT값인 다음의 식으로 정의될 수 있다. The efficiency of the thermoelectric element can be defined by the following equation, which is a dimensionless ZT value.
상기 ZT값은 전기전도도, 제백 계수에는 비례하며, 열전도도에는 반비례 관계에 있다.The ZT value is proportional to the electric conductivity and the whiteness coefficient, and is inversely related to the thermal conductivity.
상기 열전도도(κ)는 전자의 열전도도와 격자의 열전도도로 구성되며, 상기 전자의 열전도도의 경우는 물질의 고유 특성이나, 상기 격자의 열전도도의 경우 비열, 포논(phonon)의 이동도, 포논(phonon)의 평균 자유행로에 영향을 받는 함수이다. The thermal conductivity (κ) is constituted by the thermal conductivity of the electrons and the thermal conductivity of the lattice. In the case of the thermal conductivity of the electrons, the intrinsic property of the material, the specific heat in the case of the thermal conductivity of the lattice, is the function affected by the average free path of the phonon.
따라서, 열전도도(κ)에 영향을 미치는 포논(phonon)의 산란(scattering)의 증대시키거나, 제백 계수, 전기전도도 또는 파워팩터(제백 계수의 제곱에 전기전도도를 곱한 값)를 향상시켜 열전 소자의 효율을 향상시킬 수 있다. Accordingly, it is possible to increase the scattering of phonons that affect the thermal conductivity K, or to improve the whiteness factor, the electric conductivity or the power factor (the square of the whiteness coefficient multiplied by the electric conductivity) Can be improved.
본 발명에 따른 열전 재료의 혼합물은 열전 나노 와이어, 열전 나노입자 및 도핑(doping)입자를 포함함으로 인하여 열전 효율이 향상된 열전 소자를 제공할 수 있으며, 구체적으로 상기 열전 나노 와이어는 결정립이 미세하여 포논의 산란을 증대시키고, 열전 나노입자 및 도핑입자는 각각 열전도도의 감소 및 파워팩터(Power factor)를 향상시키는 효과를 가져오므로 본 발명에 따른 열전 소자의 열전 효율을 향상시킬 수 있다.
The mixture of thermoelectric materials according to the present invention can provide a thermoelectric device with improved thermoelectric efficiency due to thermoelectric nanowires, thermoelectric nanoparticles and doping particles. Specifically, the thermoelectric nanowires have fine grains, And the thermoelectric nanoparticles and the doped particles have the effect of reducing the thermal conductivity and improving the power factor, respectively, so that the thermoelectric efficiency of the thermoelectric device according to the present invention can be improved.
이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 열전 재료의 혼합물은 열전 나노 와이어 100 중량부에 열전 나노입자 1~10 중량부 및 도핑입자 0.1~5 중량부가 혼합되어 제조되는 것이 바람직하며, 이 범위 내에서 열전 소자의 열전 효율이 충분히 향상되는 효과가 나타난다. The mixture of thermoelectric materials according to the present invention is preferably prepared by mixing 1 to 10 parts by weight of thermoelectric nanoparticles and 0.1 to 5 parts by weight of doping particles in 100 parts by weight of thermoelectric nanowires, A sufficiently improved effect appears.
상기 열전 나노 와이어에 혼합되는 열전 나노입자는 전기전도도의 저하 없이 포논 산란을 통하여 열전도도를 저감하기 위한 산란 센터(scattering center)로서 도입되며, 이와 같은 포논 산란 센터로 작용하는 물질은 열전 재료의 매트릭스 내에 포논의 평균 자유 경로의 길이와 유사한 크기일 경우 포논을 산란하는데 효과적이므로 본 발명에서는 나노 크기의 열전 나노입자를 사용하게 된다. The thermoelectric nanoparticles mixed in the thermoelectric nanowires are introduced as a scattering center for reducing the thermal conductivity through the phonon scattering without lowering the electrical conductivity. The material acting as such a phonon scattering center is a matrix of the thermoelectric material The nano-sized thermoelectric nanoparticles are used in the present invention because they are effective in scattering phonons when they are similar in size to the average free path length of phonons in the present invention.
본 발명에서 사용하는 열전 나노입자의 평균 입경은 열전 재료의 혼합물에 포함되는 열전 나노 와이어의 구체적인 구성에 따라 조절될 수 있으며, 일 예로 상기 열전 나노입자의 평균 입경은 0.1~50㎚일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The average particle diameter of the thermoelectric nanoparticles used in the present invention can be controlled according to the specific constitution of thermoelectric nanowires included in the mixture of thermoelectric materials. For example, the average particle diameter of the thermoelectric nanoparticles may be 0.1 to 50 nm, But is not limited thereto.
상기 열전 나노입자는 산란 센터로서 도입될 수 있는 것이라면 당 업계에서 통상적으로 사용하는 구성을 모두 사용할 수 있으며, 구체적으로 P형 열전 재료의 혼합물에는 BixSb2 - xTe3 (상기 x는 0 < x < 2)의 조성을 갖는 것을 사용하며, N형 열전 재료의 혼합물에는 Bi2TeySe3 -y(상기 y는 0 < x < 3)의 조성을 갖는 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
The thermoelectric nanoparticles may be any of those conventionally used in the art as long as they can be introduced as a scattering center. Specifically, the mixture of the P-type thermoelectric materials includes Bi x Sb 2 - x Te 3 (where x is 0 < x < 2), and the mixture of the N-type thermoelectric materials may have a composition of Bi 2 Te y Se 3 -y (where y is 0 <x <3), but the present invention is not limited thereto.
본 발명의 열전 재료의 혼합물은 상기 포논 산란과 동시에 파워팩터의 효과를 높이기 위하여 도핑(doping)입자를 더 포함한다.The mixture of thermoelectric materials of the present invention further includes doping particles in order to increase the effect of the power factor simultaneously with the phonon scattering.
상기 도핑(doping)입자는 그 평균 입경은 1~30㎚일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The doping particles may have an average particle diameter of 1 to 30 nm, but the present invention is not limited thereto.
상기 도핑(doping)입자는 Ce(Cerium) 또는 Yb(Ytterbium)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
The doping particles may be Ce (Cerium) or Yb (Ytterbium), but are not limited thereto.
본 발명에 따른 열전 재료의 혼합물의 열전 나노 와이어는 열전 소자의 매트릭스가 되며, 기존의 벌크(bulk)형 열전 재료와는 달리 합성을 통하여 제조되기 때문에 결정립이 미세한 특징이 있으며, 따라서 포논의 산란을 증대시킬 수 있어 열전 소자의 열전 효율을 향상시킨다. The thermoelectric nanowire of the mixture of thermoelectric materials according to the present invention is a matrix of thermoelectric elements, and unlike the conventional bulk thermoelectric material, since the thermoelectric nanowire is manufactured through synthesis, the crystal grains are finely characterized. Thereby improving the thermoelectric efficiency of the thermoelectric element.
상기 열전 나노 와이어는 당 업계에서 통상적으로 사용되는 열전 재료라면 제한 없이 이용하는 것이 가능하며, 구체적으로 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 재료로부터 용매열(solvothermal) 방법 또는 수열합성(Hydrothermal Synthesis) 방법을 통하여 얻을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The thermoelectric nanowire can be used without limitation as long as it is a thermoelectric material conventionally used in the art. Specifically, a thermoelectric material can be prepared from two or more materials selected from the group consisting of Bi, Te, Sb and Se by a solvothermal method or a hydrothermal synthesis (Hydrothermal Synthesis) method, but the present invention is not limited thereto.
상기 용매열(solvothermal) 방법은 유기용매를 사용하여 160℃ 이상의 고온에서 합성하는 방법이며, 상기 수열합성(hydrothermal) 방법은 알칼리 수용액에 열전 재료의 전구체들, 계면활성제 및 환원제를 동시에 넣은 후 약 200℃의 고온에서 합성하는 방법이다.The hydrothermal method is a method of synthesizing a precursor of a thermoelectric material, a surfactant and a reducing agent at the same time in an aqueous alkali solution, Lt; 0 > C.
상기 용매열(solvothermal) 방법으로 튜브(tube), 쉬트(sheet) 형상의 Bi2Te3를 합성 [Y. Deng, C.W. Cui, N.L.Zhang, T.H. Ji, Q.L. Yang, L. Guo, Solid State Commun. 138 111-113 (2006); Y. Jiang, Y.J. Zhu, J.Crystal Growth 306 351-355 (2007); Y. Xu, Z. Ren, G. Cao, W. Ren, K. Deng, Y. Zhong, Mater. Lett. 62 4525-4528 (2008)]하는 기술 및 상기 수열합성(hydrothermal) 방법으로 나노로드(nanorod), 나노플레이트(nanoplate), 나노튜브(nanotube), 나노플레이크(nanoflake) 형상의 Bi2Te3를 합성[X.B. Zhao, X.H. Ji, Y.H. Zhang, G.S. Cao, J.P. Tu, Appl. Phys. A80 1567-1571 (2005); T. Sun, X.B.Zhao, T.J. Zhu, J.P. Tu, Mater. Lett. 60 2534-2537 (2006); Y. Xu, Z. Ren, W. Ren, G. Cao, K. Deng, Y.Zhong, Mater. Lett. 62 4273-4276 (2008)]하는 기술이 공개되어 있다.
A tube and a sheet-like Bi 2 Te 3 were synthesized by the above-described solvothermal method [Y. Deng, CW Cui, NLZhang, TH Ji, QL Yang, L. Guo, Solid State Commun. 138 111-113 (2006); Y. Jiang, YJ Zhu, J. Crystal Growth 306 351-355 (2007); Y. Xu, Z. Ren, G. Cao, W. Ren, K. Deng, Y. Zhong, Mater. Lett. 62 4525-4528 (2008)] and the hydrothermal method to synthesize Bi 2 Te 3 in the form of nanorods, nanoplates, nanotubes, and nanoflake [XB Zhao, XH Ji, YH Zhang, GS Cao, JP Tu, Appl. Phys. A80 1567-1571 (2005); T. Sun, XBZhao, TJ Zhu, JP Tu, Mater. Lett. 60 2534-2537 (2006); Y. Xu, Z. Ren, W. Ren, G. Cao, K. Deng, Y. Zhong, Mater. Lett. 62 4273-4276 (2008)].
본 발명에 따른 열전 소자는 상기 열전 재료의 혼합물을 소결하여 얻을 수 있다. The thermoelectric element according to the present invention can be obtained by sintering the mixture of thermoelectric materials.
상기 소결은 당 업계의 통상의 방식에 의하여 이루어질 수 있으며, 일 예로 핫 프레스(Hot Press) 방법 또는 가압 통전 소결(Spark Plasma Sintering) 방법 등을 이용할 수 있으며, 특히 가압 통전 소결(Spark Plasma Sintering) 방법을 이용하는 경우 빠른시간에 소결이 가능하여 열전 소자의 결정립 성장을 억제할 수 있으므로 바람직하다.The sintering may be performed according to a conventional method in the art. For example, a Hot Press method, a Spark Plasma Sintering method, or the like may be used. In particular, a spark plasma sintering method The sintering can be performed in a short time and the growth of the grain growth of the thermoelectric device can be suppressed.
상기와 같이 열전 재료의 혼합물(101, 102, 103)을 소결하여 얻은 열전 소자(104)는 도 1과 같이 열전 나노 와이어의 소결체(매트릭스)에 열전 나노입자(102) 및 도핑(doping)입자(103)가 삽입된 형태를 갖는다. The
상기와 같은 형태를 갖는 열전 소자는 앞서 설명한 바와 같이 열전 효율이 우수하다. The thermoelectric element having the above-described shape is excellent in the thermoelectric efficiency as described above.
본 발명은 이러한 열전 효율이 우수한 열전 소자를 포함하는 열전모듈을 제공한다. The present invention provides a thermoelectric module including a thermoelectric device having such a high thermoelectric efficiency.
상기 열전 소자를 포함하는 열전 모듈은 당 업계에서 통상적으로 채택하는 방식에 따라 구현될 수 있으나, 비제한적 예로, 금속전극이 형성되어 서로 대향하는 상부 및 하부 절연기판과, 상기 상부 및 하부 절연기판 사이에 다수의 열전 소자를 포함하되, 상기 열전 소자는 본 발명에 따른 열전 소자이며, 상기 열전 소자는 상부 및 하부 절연기판의 금속전극을 매개로 직렬 연결되어 있는 구조일 수 있다.The thermoelectric module including the thermoelectric element may be implemented according to a method commonly employed in the art, but is not limited thereto. For example, the thermoelectric module may include upper and lower insulating substrates formed with metal electrodes and facing each other, The thermoelectric element may be a thermoelectric element according to the present invention, and the thermoelectric element may be connected in series via the metal electrodes of the upper and lower insulating substrates.
상기 열전 모듈은 당 업계의 통상의 방식으로 제조될 수 있으며, 그 예로 본 발명에 따른 열전 소자를 금속전극이 형성된 상부 및 하부 절연기판상에 교대로 배열하여 전기적으로 연결하는 방식으로 열전 모듈을 제조하는 것을 들 수 있다.
The thermoelectric module may be manufactured in a conventional manner in the art. For example, the thermoelectric module according to the present invention may be alternately arranged on upper and lower insulating substrates having metal electrodes, .
이하, 하기의 제조예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범위가 제조예에 한정되는 것은 아니며, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 제조예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in further detail with reference to the following Production Examples. However, the scope of the present invention is not limited to the production examples, and the present invention is not limited to these examples. And are not used to limit the scope of the present invention. Therefore, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and variations are possible in light of the above teachings. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
제조예Manufacturing example 1 One
Bi-Te계 열전 나노 와이어 100 중량부에, Bi0 .5Sb1 .5Te3 조성의 열전 나노입자 5 중량부와 Ce(Cerium) 또는 Yb(Ytterbium) 1 중량부를 첨가하여 P형 열전 재료의 혼합물을 제조한다. The Bi-Te based thermoelectric nanowire 100 parts by weight, Bi 0 .5 Sb 1 .5 of the composition Te 3 Thermoelectric nanoparticles 5 parts by weight of Ce (Cerium), or Yb (Ytterbium) 1 part by weight by the addition of P-type thermoelectric material A mixture is prepared.
상기 제조된 P형 열전 재료의 혼합물을 소결 몰드에 담아 SPS(Spark Plasma Sintering)장비로 50 MPa의 압력, 400℃의 온도에서 10분간 소결하여 P형 pellet 형태의 열전 소자를 제조하였다.
A mixture of the P-type thermoelectric materials was placed in a sintered mold and sintered at a pressure of 50 MPa and a temperature of 400 ° C. for 10 minutes using SPS (Spark Plasma Sintering) equipment to produce a P-type pellet type thermoelectric device.
제조예Manufacturing example 2 2
Bi-Te계 열전 나노 와이어 100 중량부에, Bi2Te2 .85Se0 .15 조성의 열전 나노입자 5 중량부와 Ce(Cerium) 또는 Yb(Ytterbium) 1 중량부를 첨가하여 N형 열전 재료의 혼합물을 제조한다. 5 parts by weight of thermoelectric nanoparticles having a composition of Bi 2 Te 2 .85 Se 0 .15 and 1 part by weight of Ce (Cerium) or Yb (Ytterbium) were added to 100 parts by weight of Bi-Te thermoelectric nanowires to prepare an N type thermoelectric material A mixture is prepared.
상기 제조된 N형 열전 재료의 혼합물을 소결 몰드에 담아 SPS(Spark Plasma Sintering)장비로 50 MPa의 압력, 400℃의 온도에서 10분간 소결하여 N형 pellet 형태의 열전 소자를 제조하였다.
A mixture of the N-type thermoelectric materials was placed in a sintered mold and sintered at a pressure of 50 MPa and a temperature of 400 ° C for 10 minutes using an SPS (Spark Plasma Sintering) apparatus to produce an N-type pellet type thermoelectric device.
상기 제조예 1 및 2를 통하여 본 발명에 따른 열전 효율이 향상된 P형 및 N형의 열전 소자를 제조 과정을 구체적으로 설명하였다. The manufacturing process of the P-type and N-type thermoelectric elements with improved thermoelectric efficiency according to the present invention was described in detail through Production Examples 1 and 2.
상기 제조예 1~2의 P형 또는 N형의 열전 소자는 기존의 벌크 형태의 제조방법으로 제조된 열전 소자와는 달리 열전 소자의 결정립이 미세하여 포논의 산란이 증대되며, 열전 나노입자 및 도핑입자가 열전 소자의 매트릭스(열전 나노 와이어의 소결체)에 삽입되어 있어 열전도도의 감소 및 파워팩터(Power factor)를 향상시키는 효과를 가져온다.The P-type or N-type thermoelectric elements of Production Examples 1 and 2 are different from the conventional thermoelectric elements manufactured by a bulk manufacturing method, in which crystal grains of the thermoelectric elements are fine, so that phonon scattering is increased, Particles are inserted into the matrix of the thermoelectric element (sintered body of the thermoelectric nanowire), thereby reducing the thermal conductivity and improving the power factor.
101 열전 나노 와이어
102 열전 나노입자
103 도핑(doping)입자
104 열전 소자
105 열전 소자의 미세구조101 thermoelectric nanowire
102 Thermoelectric nanoparticles
103 doping particles
104 Thermoelectric element
105 Microstructure of thermoelectric devices
Claims (13)
열전 나노입자 1~10 중량부; 및
도핑입자 0.1~5 중량부;를 포함하고,
상기 열전 나노입자는 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 재료를 포함하고,
상기 도핑입자는 Ce(Cerium) 또는 Yb(Ytterbium)를 포함하는 열전 재료의 혼합물.
Thermoelectric nanowire 100 parts by weight;
1 to 10 parts by weight of thermoelectric nanoparticles; And
0.1 to 5 parts by weight of doped particles,
Wherein the thermoelectric nanoparticle comprises at least two materials selected from the group consisting of Bi, Te, Sb and Se,
Wherein the doping particles comprise Ce (Cerium) or Yb (Ytterbium).
상기 열전 나노입자의 평균 입경은 0.1~50㎚인 열전 재료의 혼합물.
The method according to claim 1,
Wherein the thermoelectric nanoparticles have an average particle diameter of 0.1 to 50 nm.
상기 열전 나노입자는 BixSb2-xTe3 (상기 x는 0 < x < 2)의 조성을 갖는 열전 재료의 혼합물.
The method according to claim 1,
Wherein the thermoelectric nanoparticles have a composition of Bi x Sb 2-x Te 3 (where x is 0 < x < 2).
상기 열전 나노입자는 Bi2TeySe3-y(상기 y는 0 < y < 3)의 조성을 갖는 열전 재료의 혼합물.
The method according to claim 1,
Wherein the thermoelectric nanoparticles have a composition of Bi 2 Te y Se 3-y (where y is 0 < y < 3).
상기 도핑입자의 평균 입경은 1~30㎚인 열전 재료의 혼합물.
The method according to claim 1,
Wherein the doped particles have an average particle diameter of 1 to 30 nm.
상기 열전 나노 와이어는 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 재료로부터 용매열(solvothermal) 방법 또는 수열합성(Hydrothermal Synthesis) 방법을 통하여 얻어지는 열전 재료의 혼합물.
The method according to claim 1,
Wherein the thermoelectric nanowire is obtained from at least two materials selected from the group consisting of Bi, Te, Sb and Se by a solvothermal method or a hydrothermal synthesis method.
A thermoelectric device obtained by sintering a mixture of thermoelectric materials according to claim 1.
상기 소결은 핫 프레스(Hot Press) 방법 또는 가압 통전 소결(Spark Plasma Sintering) 방법으로 이루어진 열전 소자.
10. The method of claim 9,
The sintering is performed by a hot press method or a spark plasma sintering method.
상기 열전 소자는 열전 나노 와이어의 소결체에 열전 나노입자 및 도핑(doping)입자가 삽입된 형태인 열전 소자.
11. The method of claim 10,
The thermoelectric element is a thermoelectric element in which thermoelectric nanoparticles and doping particles are inserted into a sintered body of thermoelectric nanowires.
상기 상부 및 하부 기판 사이에 배치된 복수의 열전 소자;
상기 상부 기판과 상기 복수의 열전 소자 사이에 배치된 상부 전극; 및
상기 하부 기판과 상기 복수의 열전 소자 사이에 배치된 하부 전극;을 포함하고,
상기 열전 소자는,
Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 재료를 포함하는 열전 나노 와이어 100 중량부;
Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 재료를 포함하는 열전 나노입자 1~10 중량부; 및
Ce(Cerium) 또는 Yb(Ytterbium)를 포함하는 도핑입자 0.1~5 중량부;를 포함하는 열전 모듈.
Upper and lower substrates facing each other;
A plurality of thermoelectric elements disposed between the upper and lower substrates;
An upper electrode disposed between the upper substrate and the plurality of thermoelectric elements; And
And a lower electrode disposed between the lower substrate and the plurality of thermoelectric elements,
The thermoelectric element includes:
100 weight parts of thermoelectric nanowires comprising two or more materials selected from the group consisting of Bi, Te, Sb and Se;
1 to 10 parts by weight of thermoelectric nanoparticles comprising at least two materials selected from the group consisting of Bi, Te, Sb and Se; And
0.1 to 5 parts by weight of doping particles comprising Ce (Cerium) or Yb (Ytterbium).
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