KR20110109562A - 열전재료, 이를 포함하는 열전모듈과 열전장치 - Google Patents

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KR20110109562A
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Abstract

성능지수가 우수한 열전재료 및 이를 포함하는 열전모듈과 열전 장치가 제공된다. 보다 상세하게는, 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 열전재료 및 이를 포함하는 열전소자와 열전장치가 제공된다.
상기 열전재료는 하기 화학식 1의 화합물을 포함한다.
<화학식 1>
(R1 - aR'a)(T1 - bT'b)3±y
식중, 상기 R 및 R'은 각각 서로 상이하며, 희토류 원소 및 전이금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이며, 상기 T 및 T'은 각각 서로 상이하며, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고, 상기 a는 0≤a≤1이며, 상기 b는 0≤b≤1이고, 상기 y는 0≤y<1이다.

Description

열전재료, 이를 포함하는 열전모듈과 열전장치{Thermoelectric materials, and thermoelectric module and thermoelectric device comprising same}
성능지수가 우수한 열전재료 및 이를 포함하는 열전모듈과 열전 장치가 제공된다. 구체적으로는 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 열전재료 및 이를 포함하는 열전모듈과 열전장치가 제공된다.
일반적으로 열전재료는 펠티어 효과(Peltier effect) 및 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 능동냉각 및 폐열발전 등에 응용할 수 있는 재료이다. 상기 펠티어 효과는 도 1에 도시한 바와 같이 외부에서 DC 전압을 가해주었을 때 p-type 재료의 정공과 n-type 재료의 전자가 이동함으로써 재료 양단에 발열과 흡열을 일으키는 현상이다. 상기 제벡 효과는 도 2에 도시한 바와 같이 외부 열원에서 열을 공급 받을 때 전자와 정공이 이동하면서 재료에 전류의 흐름이 생겨 발전(發電)을 일으키는 현상을 말한다.
이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각은 소자의 열적 안정성을 개선시키고 진동과 소음이 없으며 별도의 응축기와 냉매를 사용하지 않아 부피가 작고 환경 친화적인 방법으로서 인식되고 있다. 이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각의 응용분야로서는 무냉매 냉장고, 에어컨, 각종 마이크로 냉각 시스템 등에 사용할 수 있으며, 특히, 각종 메모리 소자에 열전소자를 부착시키면 기존의 냉각방식에 비해 부피는 줄이면서 소자를 균일하고 안정한 온도로 유지시킬 수 있으므로 소자의 성능을 개선할 수 있다.
한편 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 열전재료를 열전발전에 활용하면 폐열(waste heat)을 에너지 원으로 활용할 수 있어서 자동차 엔진 및 배기장치, 쓰레기 소각장, 제철소 폐열, 인체 열을 이용한 인체 내 의료기기의 전원 등 에너지의 효율을 높이거나 폐열을 수거하여 사용하는 다양한 분야에 응용할 수 있다.
이와 같은 열전재료의 성능을 측정하는 인자로는 하기 수학식 1과 같이 정의되는 무차원 성능지수 ZT값을 사용한다.
<수학식 1>
Figure pat00001
(식중, S는 제벡계수, σ는 전기전도도, T는 절대온도, κ는 열전도도이다.)
상기 무차원 성능지수 ZT값을 증가시키기 위해서는 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 재료를 찾아야 한다.
본 발명의 구현예들은 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 열전재료를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예들은 상기 열전재료를 포함한 열전소자를 구비한 열전모듈을 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예들은 상기 열전모듈을 구비하는 열전장치를 제공한다.
하기 화학식 1의 구조를 갖는 화합물을 포함하는 열전재료를 제공한다:
<화학식 1>
(R1 - aR'a)(T1 - bT'b)3±y
식중,
상기 R 및 R'은 각각 서로 상이하며, 희토류 원소 및 전이금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이며,
상기 T 및 T'은 각각 서로 상이하며, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고,
상기 a는 0≤a≤1이며,
상기 b는 0≤b≤1이고,
상기 y는 0≤y<1이다.
일구현예에 따르면, 상기 화학식 1의 화합물은 2차원 층상 구조를 가질 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 화학식 1의 화합물은 R과 T로 구성된 두개의 블록층 사이에 T로 구성된 이중층이 개재된 구조를 가지며, 상기 R과 T는 각각 R'과 T'으로 도핑될 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 R 및 R' 중 어느 하나 이상은 희토류 원소를 포함할 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 T 및 T' 중 어느 하나 이상은 S, Se 및 Te로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 a는 0 내지 0.5의 범위를 가질 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 b는 0 내지 0.5의 범위를 가질 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 y는 0 내지 0.5의 범위를 가질 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 2의 화합물일 수 있다:
<화학식 2>
(R1-a'R'a')(T1-b'T'b')3-y'
식중,
상기 R은 희토류 원소이고, R'은 전이금속이며,
상기 T는 S, Se, Te이고, T'은 P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고,
상기 a'는 0≤a'≤1이며,
상기 b'는 0≤b'≤1이고,
상기 y'는 0≤y'≤1이다.
일구현예에 따르면, 상기 y'은 0≤y'≤0.5의 범위를 가질 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 화학식 1의 화합물은 다결정구조 또는 단결정구조를 가질 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 열전재료는 상온에서 3.5 W/mK 이하의 열전도도를 가질 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 열전재료는 상온에서 10 μV/K 이상의 제벡계수를 가질 수 있다.
상기 다른 과제를 달성하기 위한 구현예로서, 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재되는 열전소자를 구비하며, 상기 열전소자가 상기 화학식 1의 화합물을 포함하는 열전재료를 포함하는 열전모듈이 제공된다.
상기 또 다른 과제를 달성하기 위한 구현예로서, 상기 열전모듈 및 열공급원을 구비하는 열전장치가 제공된다.
본 발명의 구현예들에 따른 열전재료는 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 매우 낮아, 성능지수가 우수하다. 따라서, 무냉매 냉장고, 에어컨, 폐열발전, 군사 항공 우주용 열전 핵발전, 마이크로 냉각 시스템 등에 유용하게 사용할 수 있다.
도 1은 펠티어 효과에 의한 열전냉각을 나타내는 개략도이다.
도 2는 제벡효과에 의한 열전발전을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 열전재료의 결정구조를 나타낸 모식도이다.
도 4는 일구현예에 따른 열전모듈을 나타낸다.
도 5는 실시예 1에서 얻어진 열전재료들의 열전도도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예 1에서 얻어진 열전재료들의 제벡계수를 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 1에서 얻어진 열전재료들의 파워팩터를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예 1에서 얻어진 열전재료들의 성능지수를 나타내는 그래프이다.
이하에서 본 발명의 구현예들을 구체설명하기로 한다.
일반적으로 열전재료의 성능을 측정하는 인자인 무차원 성능지수 ZT값을 증가시키기 위해서는 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 재료를 찾아야 한다. 열전도도 κ는 다음과 같이 전자에 의한 기여분과 양자화 된 격자진동인 포논에 의한 기여분으로 나뉜다.
κ=κ el +κ ph
κ el = LσT
Figure pat00002
식중,
k는 열전도도를 나타내며, k el 은 전자에 의한 열전도도를 나타내고, k ph 는 포논에 의한 열전도도를 나타내며, L은 로렌쯔 팩터를 나타내고, σ는 전기전도도를 나타내며, T는 절대온도를 나타내고, k B 는 볼쯔만상수를 나타낸다.
상기 열전도도 κ의 전자 기여분인 κ el은 Wiedemann-Frantz 법칙에 의하여 전기전도도(σ)에 비례하기 때문에 전자에 의한 열전도도는 전기전도도의 종속변수이다. 따라서 열전도도를 낮추기 위해서는 격자 열전도도를 작게 해야 한다. 또한 제벡계수와 전기전도도 제곱의 곱인 파워 팩터 S2σ를 크게 하기 위해서는 고체의 페르미 준위 근처에서 에너지 밴드의 감소(degeneracy)가 커서 전자의 상태밀도 (Density of State)가 뾰족한 특이점을 가져야 한다.
이와 같이 열전도도가 낮고 파워팩터가 큰 열전재료의 특성을 달성하기 위하여, 본 발명의 일구현예에 따른 열전재료는, in-plane 방향으로는 공유결합에 의한 강한 결합을 형성하고, c-축 방향으로는 이온결합 또는 반 데르 바알스(van der Waals) 결합에 의한 약한 결합을 형성하는 2차원 층상구조의 하기 화학식 1의 화합물을 포함한다:
<화학식 1>
(R1 - aR'a)(T1 - bT'b)3±y
식중,
상기 R 및 R'은 각각 서로 상이하며, 희토류 원소 및 전이금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이며,
상기 T 및 T'은 각각 서로 상이하며, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고,
상기 a는 0≤a≤1이며,
상기 b는 0≤b≤1이고,
상기 y는 0≤y<1 이다.
상기 일구현예에 따른 열전재료는 도 3에 도시한 바와 같이 2차원 층상구조를 가짐에 따라 2차원 전도 특성을 가질 수 있다. 또한 in-plane 방향으로 2차원 또는 1차원의 격자 왜곡을 가지며, b-축으로는 정렬된 층상 구조를 가질 수 있다. 상기 열전재료는 R과 T로 구성된 두개의 블록층 사이에 T로 구성된 이중층이 개재된 구조를 가진다.
예컨대, 희토류 원소(R)와 칼코겐 원소(T)로 구성된 트리칼코게나이드 화합물은 희토류 원소의 국소화된 f-전자를 페르미 에너지 근처로 조절하여 페르미 에너지 근처에서 높은 상태밀도를 가질 수 있다. 또한 상기 트리칼코게나이드 화합물은 상기 T 성분으로 구성된 층이 이중층으로 구성되고 그 양쪽에 R-T 블록층이 위치하는 구조를 가짐에 따라 상기 이중층 중 하나인 T-단일층과 R-T 블록층간의 전자-홀 제벡계수 상쇄효과를 방지하여 제벡계수를 증가시키는 것이 가능해진다. 또한 전자-격자 사이의 강한 상호작용에 의하여 전하밀도파가 발생함으로써 격자 열전도도를 감소시켜 성능지수를 증가시키게 된다. 또한 상기 열전재료에서는 홀 밀도가 증가하여 전기전도도가 증가함과 동시에 전자-홀 상쇄효과를 방지하게 되어 제벡계수도 증가하게 된다.
상술한 화학식 1의 구조를 갖는 열전재료에서, 상기 R 및 R'은 각각 서로 상이하고, 희토류 원소 또는 전이금속 중 선택된 하나 이상의 원소를 포함한다. 상기 희토류 원소로서는 Y, Ce, La 등을 사용할 수 있고, 상기 전이금속으로서는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Re 중 하나 이상을 사용할 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 R 및 R' 중 어느 하나 이상은 희토류 원소를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 희토류 원소는 Ce일 수 있다.
상기 화학식 1의 화합물에서 a는 R'의 몰비를 나타내며, 약 0 이상 약 1 이하의 값을 가질 수 있고, 예를 들어 약 0 내지 약 0.5의 범위를 사용할 수 있다.
상술한 화학식 1의 구조를 갖는 화합물에서, 상기 T 및 T'은 각각 서로 상이하고, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga, In 중 하나 이상을 포함하는 원소를 포함한다.
일구현예에 따르면, 상기 T 및 T' 중 어느 하나 이상은 칼코겐 원소를 하나 이상 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 칼코겐 원소는 S, Se, Te 중 하나 이상일 수 있다. 상기 화학식 1의 화합물에서 b는 T'의 몰비를 나타내며, 약 0 이상 약 1 이하의 값을 가질 수 있고, 예를 들어 약 0 내지 약 0.5의 범위를 사용할 수 있다.
상기 T와 T'성분 합의 몰비는 상기 R과 R'성분 합의 몰비 1몰에 대하여 약 2.0몰 초과 약 4.0몰 미만의 범위, 약 2.1몰 내지 약 3.9몰, 또는 약 2.5몰 내지 약 3.5몰의 범위를 사용할 수 있고, 예를 들어, 약 2.0몰 약 초과 3.0몰 이하의 범위로 사용하거나, 약 2.5몰 내지 약 3.0몰의 범위를 사용할 수 있다. 또는 약 3.0몰 이상 약 4.0몰 미만의 범위로 사용하거나, 약 3.0몰 내지 약 3.5몰의 범위로 사용하거나, 약 3.0몰 내지 약 3.2몰의 범위로 사용할 수 있다.
상기 화학식 1의 화합물에서 R' 및 T'은 도핑원소로서 각각 R 및 T의 종류, 함량 등을 조절하여 전기전도도와 제벡계수를 높일 수도 있다. 예컨대, 전자와 홀이 공존하는 2밴드 전도(2 band conduction)가 일어나는 경우, R의 일부를 R'으로 치환하여 전자 또는 홀 중 하나만 전도특성이 일어나게 함으로써, 열전 재료의 전류 밀도를 제어할 수 있다. 이와 같은 R'과 T' 성분은 1성분계, 2성분계 혹은 3성분계의 형태일 수 있으며, 상기 2성분계의 경우 몰비는 1:9 내지 9:1의 비율로 첨가될 수 있으며, 3성분계의 경우, 1 : 0.1 ~ 9.0 : 0.1 ~ 9.0 의 비율로 첨가될 수 있으나, 이들에 특별하게 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, CeTe3계 열전재료에 전이금속이 포함, 도핑 또는 삽입된 경우 희토류 원소의 국소화된(localized) f-전자의 원자 에너지를 조절할 수 있게 되어 f-전자 에너지 밴드를 페르미 면으로 조절할 경우 높은 제벡 계수를 구현할 수 있다.
상술한 바와 같은 일구현예에 따른 열전재료는 낮은 열전도도를 나타냄과 동시에, 전자의 이차원적인 전도특성으로 인해 격자왜곡이 발생하는 특징을 갖고 있다. 또한 홀을 나르는 T 성분으로 구성된 층이 이중층을 형성함으로써 전기전도도가 크면서 제벡계수가 큰 재료를 구현할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 구현예들에 따르면, 열전 성능 지수(ZT)가 높은 열전 재료를 구현할 수 있으며, 특히 상온에서 열전 성능이 높을 수 있다. 여기서 상온은 약 600K 이하, 구체적으로는 약 550K이하, 또는 약 400K이하의 범위이다. 일례로, 약 200K 내지 약 400K 범위, 약 250K 내지 약 350K 범위일 수 있다.
일구현예에 따른 열전 재료는 하기 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다.
<화학식 2>
(R1-a'R'a')(T1-b'T'b')3-y'
식중,
상기 R은 희토류 원소이고, R'은 전이금속이며,
상기 T는 S, Se, Te이고, T'은 P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고,
상기 a'는 0≤a'≤1이며,
상기 b'는 0≤b'≤1이고,
상기 y'는 0≤y'≤1이다.
일구현예에서, 상기 화학식 2의 화합물에서 R은 Ce이고, T는 Te일 수 있다.
일구현예에서, 상기 화학식 2의 화합물에서 a' 및 b'은 각각 독립적으로 0≤a'≤0.5 또는 0≤b'≤0.5일 수 있다.
일구현예에서, 상기 화학식 2의 화합물에서 상기 y'는 0≤y'≤0.8, 0≤y'≤0.5, 또는 0≤y'≤0.3일 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 화학식 1로 나타낸 화합물을 포함하는 열전재료는 상온에서 약 3.5 W/mK 이하, 예를 들어 약 3 W/mK 이하, 약 2 W/mK 이하, 또는 약 1 내지 약 1.5 W/mK의 열전도도를 가질 수 있다.
또한, 상기 화학식 1로 나타낸 화합물을 포함하는 열전재료는 약 5 μV/K 이상, 예를 들어 약10 μV/K 이상, 약 30 μV/K 이상, 약 50 μV/K 이상의 제벡계수를 가질 수 있으며, 일례에서는 약50 내지 약 100 μV/K 의 제벡계수를 가질 수 있다.
또한, 상기 화학식 1로 나타낸 화합물을 포함하는 열전재료는 약 0.05이상의 성능 지수(ZT)가질 수 있으며, 일례에서는 약 0.1이상의 성능 지수를 가질 수 있다.
상술한 구현예에 따른 열전재료는 다결정 구조 또는 단결정 구조를 가질 수 있다.
상기와 같은 다결정 구조를 갖는 열전재료의 합성방법으로는 하기와 같은 예가 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
(1) 앰퓰(Ampoule)을 이용한 방법: 원료를 석영관 또는 금속 앰퓰 에 넣고 진공으로 밀봉하여 열처리하는 것을 포함하는 방법.
(2) 아크 용융(Arc melting)법: 원료를 챔버에 넣고 비활성기체 분위기 속에서 아크를 방전시켜 원료를 녹여 시료를 만드는 것을 포함하는 방법.
(3) 고상반응법(Solid state reaction): 분말을 잘 섞어 단단하게 가공한 뒤 열처리하거나 혼합분말을 열처리한 다음 가공하고 소결하는 공정을 포함하는 방법
상기와 같은 단결정구조를 갖는 열전재료 합성방법으로는 하기와 같은 예가 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
(1) 금속 플럭스법(Metal flux): 원료와 원료가 고온에서 결정으로 잘 성장할 수 있도록 분위기를 제공하는 원소를 도가니에 넣고 고온에서 열처리하여 결정을 성장하는 것을 포함하는 방법.
(2) 브릿지맨법(Bridgeman): 원료를 도가니에 넣고 도가니 끝 쪽에서 원료가 용해 될 때까지 고온으로 가열한 다음 고온영역을 천천히 이동시켜 시료를 국부적으로 용해시키면서 시료 전체를 고온영역에 통과하게 하여 결정을 성장시키는 것을 포함하는 방법.
(3) 영역용융법(zone melting): 원료를 막대 형상으로 seed rod와 feed rod로 만든 다음 국부적으로 고온을 만들어 시료를 용해시키면서 용해부분을 위쪽으로 천천히 끌어올려 결정을 성장시키는 것을 포함하는 방법.
(4) 증기이동법(Vapor transport): 원료를 석영관 아래쪽에 넣고 원료 부분을 가열하고 석영관 위쪽은 낮은 온도로 두어 원료가 기화되면서 낮은 온도에서 고상반응을 일으키며 결정을 성장시키는 것을 포함하는 방법.
본 발명은 상술한 다양한 방법 중 어느 것이나 제한 없이 사용하여 열전재료를 제조할 수 있다.
한편 상기 다결정 화합물의 경우 추가적으로 고밀도화 공정을 수행하는 것도 가능하다. 이와 같은 고밀도화 공정에 의해 추가적인 전기전도도의 개선이 가능해진다.
상기 고밀도화 공정으로서는 하기 3가지 공정을 예로 들 수 있다:
(1) 핫 프레스법: 대상체인 분말 화합물을 소정 형상의 몰드에 가하고 고온, 예를 들어 약 300 내지 약 800℃ 및 고압, 예를 들어 약 30 내지 약 300 MPa에서 성형하는 방법;
(2) 스파크 플라즈마 소결법: 대상체인 분말 화합물에 고압의 조건에서 고전압 전류, 예를 들어 약 30MPa 내지 약 300Mpa의 압력조건에서 약 50 내지 약 500 A를 통전하여 짧은 시간에 재료를 소결하는 방법;
(3) 핫 포징법: 대상체인 분말에 가압성형시 고온, 예를 들어 약 300 내지 약 700℃을 가하여 압출소결하여 가공하는 방법.
상기 고밀도화 공정에 의해 상기 열전재료는 이론밀도의 약 70 내지 약 100%에 달하는 밀도를 갖게 된다. 상기 이론 밀도는 분자량을 원자부피로 나뉘어 계산되며, 격자상수로 평가될 수 있다. 예를 들어 약 95 내지 약 100%의 밀도를 갖게 되고, 그에 따라 보다 증가된 전기전도도를 나타내게 된다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 열전재료를 절단 가공 등의 방법으로 성형하여 얻어지는 열전 소자를 제공한다. 상기 열전재료가 단결정 구조를 갖는 경우, 상기 열전재료의 절단 방향은 성장방향에 수직 방향인 것을 예로 들 수 있다.
상기 열전 소자는 p형 열전소자 또는 n형 열전소자일 수 있다. 이와 같은 열전소자는 열전재료를 소정 형상, 예를 들어 직육면체의 형상으로 형성한 것을 의미한다.
한편, 상기 열전소자는 전극과 결합되어, 전류 인가에 의해 냉각 효과를 나타낼 수 있으며, 소자 또는 온도차에 의해 발전 효과를 나타낼 수 있는 성분일 수 있다.
도 4는 상기 열전소자를 채용한 열전 모듈의 일예를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상부 절연기판(11)과 하부 절연기판(21)에는 상부 전극(12) 및 하부 전극(22)이 패턴화되어 형성되어 있고, 상기 상부 전극(12)과 하부 전극(22)을 p형 열전성분(15) 및 n형 열전성분(16)이 상호 접촉하고 있다. 이들 전극(12, 22)은 리드 전극(24)에 의해 열전소자의 외부와 연결된다.
상기 절연기판(11, 21)으로서는 갈륨비소 (GaAs), 사파이어, 실리콘, 파이렉스, 석영 기판 등을 이용할 수 있다. 상기 전극(12, 22)의 재질은 알루미늄, 니켈, 금, 티타늄 등 다양하게 선택될 수 있으며, 그 크기 또한 다양하게 선택될 수 있다. 이들 전극(12, 22)이 패터닝되는 방법은 종래 알려져 있는 패터닝 방법을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 리프트 오프 반도체 공정, 증착 방법, 포토리소그래피법 등을 사용할 수 있다.
이와 다른 열전 모듈의 예로서는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되며 상기 화학식 1에 따른 열전재료를 포함하는 열전모듈을 예로 들 수 있다. 상기 열전 모듈은 상기 도 4에 나타낸 바와 같은, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나가 배치되는 절연 기판을 더 구비할 수 있다. 이와 같은 절연기판으로서는 상술한 바와 같은 절연기판을 사용할 수 있다.
열전모듈의 일구현예에서 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같은 열 공급원에 노출될 수 있다. 열전소자의 일구현예에서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 도 1에 나타낸 바와 같은 전력 공급원에 전기적으로 연결되거나, 또는 열전모듈의 외부, 예를 들어 전력을 소비하거나 저장하는 전기소자(예를 들어 전지)에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 열전모듈의 일구현예로서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 도 1에 나타낸 바와 같은 전력 공급원에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 열전모듈의 일구현예에서, 도 4에 나타낸 바와 같이 상기 p-type 열전소자 및 n-type 열전소자는 교호적으로 배열될 수 있으며, 상기 p-type 열전소자 및 n-type 열전소자 중 적어도 하나는 상기 화학식 1의 화합물을 함유하는 열전재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 열공급원 및 상기 열전모듈을 구비하는 열전장치를 포함하며, 상기 열전모듈은 상기 열공급원으로부터 열을 흡수하며 상기 화학식 1의 트리칼코게나이드 화합물을 포함하는 열전재료, 제1 전극 및 제2 전극을 구비하며, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극과 대향하도록 배치된다. 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 상기 열전재료와 접촉할 수 있다.
상기 열전장치의 일구현예는 상기 제1 전극 및 제2 전극에 전기적으로 연결된 전력 공급원을 더 구비할 수 있다. 상기 열전장치의 일구현예는 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 하나에 전기적으로 연결된 전기소자를 더 구비할 수 있다.
상기 열전재료, 열전소자, 열전모듈 및 열전장치는 예를 들어 열전냉각시스템, 열전발전시스템일 수 있고, 상기 열전냉각시스템은, 마이크로 냉각시스템, 범용냉각기기, 공조기, 폐열 발전 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 열전냉각시스템의 구성 및 제조방법에 대해서는 당업계에 공지되어 있는 바 본 명세서에서는 구체적인 기재를 생략한다.
이하에서 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
Ce 및 Te을 1:3의 몰비로 정량한 후, 석영관으로 만든 앰플에 넣고 진공으로 밀봉하여, 850℃에서 24시간 동안 열처리함으로써, CeTe3.0을 합성하였다. 상기 화합물의 구성 몰비는 유도결합 플라즈마 스펙트로스코피(Inductively coupled plasma spectroscopy)를 통해 확인하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 Ce 및 Te을 1:3의 몰비 대신 1:2.7으로 정량한 것을 제외하고는 동일하게 상기 실시예 1과 동일한 공정을 실시하여 CeTe2.7을 합성하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 Ce 및 Te을 1:3의 몰비 대신 1:2.9로 정량한 것을 제외하고는 동일하게 상기 실시예 1과 동일한 공정을 실시하여 CeTe2.9을 합성하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 Ce 및 Te을 1:3의 몰비 대신 1:3.1으로 정량한 것을 제외하고는 동일하게 상기 실시예 1과 동일한 공정을 실시하여 CeTe3.1을 합성하였다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 Ce 및 Te을 1:3의 몰비 대신 1:3.2로 정량한 것을 제외하고는 동일하게 상기 실시예 1과 동일한 공정을 실시하여 CeTe3.2를 합성하였다.
실험예 1: 열전도도 측정
상기 실시예 1 내지 5에서 얻어진 열전 재료 CeTe2.7, CeTe2.9, CeTe3.0, CeTe3.1 및 CeTe3.2에 관한 열전도도를 측정하여 도 5에 나타내었다. 상기 열전재료들은 상온에서 열전도도가 약 3 W/mK 이하, 예컨대 약 1.3 내지 약 2.9 W/mK 정도인 것으로 확인되었다. 이 때, 열전도도는 레이져 플래시(laser flash)법으로 열적 투과도 (thermal diffusivity)를 측정하여 계산하였다.
상기 CeTe3의 결정 구조적인 특징은 도 3에 도시한 바와 같이, Ce-Te 블록이 Te-이중층 사이에 위치하며, (ac)-방향으로는 공유결합을 하고 있어 결합력이 단단하고, (b)-축 방향으로는 반 데어 바알스 결합으로 약한 결합을 하고 있다. 이러한 결정 결합력의 이방성은 열전도도를 낮추는데 기여하므로 낮은 열전도도를 갖게 된다.
실험예 2: 제벡계수 측정
상기 실시예 1 내지 5에서 얻어진 열전 재료 CeTe2.7, CeTe2.9, CeTe3.0, CeTe3.1 및 CeTe3.2에 관한 제벡계수를 측정하여 도 6에 나타내었다. 상기 제벡계수는 4-terminal 법을 통해 측정하였다.
상기 열전재료를 구성하는 화합물 CeTe3의 경우에는 홀이 흐르는 칼코게나이드층을 증가시킴으로써 홀 밀도를 증가시켜 제벡계수가 증대되게 된다. 상기 실시예 1 내지 5에서 얻어진 열전재료들은 도 6에 도시한 바와 같이 상온에서 약 5 μV/K 이상, 일실시예에서는 약 80 μV/K 이상을 나타내는 것으로 확인되었다.
실험예 3: 성능지수(ZT) 계산
상기 실시예 2에서 얻어진 CeTe2.7에 대하여, 상기 실험예 1 내지 3의 결과를 기초로 파워팩터 및 성능지수를 계산하여 각각 도 7 및 도 8에 나타내었다.
상기 열전재료의 높은 전기전도도로 인하여 도 7에서 도시한 바와 같이 상온에서 파워팩터는 2.25 mW/(mK2)으로 매우 높은 값을 가지며, ZT값은 도 8에서와 같이 상온에서 0.53에 이른다.
온도가 증가함에 따라 ZT는 감소하지만 상온에서 이미 높은 ZT값을 보이고 있고, 이는 전류밀도를 제어하거나 단결정으로 만들어 전하밀도파에 의한 격자왜곡의 효과를 이용하면 열전도도가 더욱 낮아짐으로써 보다 높은 ZT 구현이 가능함을 알 수 있다.

Claims (16)

  1. 하기 화학식 1의 구조를 갖는 화합물을 포함하는 열전재료:
    <화학식 1>
    (R1 - aR'a)(T1 - bT'b)3±y
    식중,
    상기 R 및 R'은 각각 서로 상이하며, 희토류 원소 및 전이금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소이며,
    상기 T 및 T'은 각각 서로 상이하며, S, Se, Te, P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고,
    상기 a는 0≤a≤1이며,
    상기 b는 0≤b≤1이고,
    상기 y는 0≤y<1이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1의 화합물이 2차원 층상 구조를 갖는 것인 열전재료.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화합물이 R과 T로 구성된 두개의 블록층 사이에 T로 구성된 이중층이 개재된 구조를 갖는 것인 열전재료.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 R 및 R' 중 어느 하나 이상이 희토류 원소를 포함하는 것인 열전재료.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 T 및 T' 중 어느 하나 이상이 S, Se 및 Te로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 열전재료.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 a가 0 내지 0.5의 범위인 것인 열전재료.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 b가 0 내지 0.5의 범위인 것인 열전재료.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 y가 0 내지 0.5의 범위인 것인 열전재료.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1의 화합물이 하기 화학식 2의 화합물인 것인 열전재료:
    <화학식 2>
    (R1-a'R'a')(T1-b'T'b')3-y'
    식중,
    상기 R은 희토류 원소이고, R'은 전이금속이며,
    상기 T는 S, Se, Te이고, T'은 P, As, Sb, Bi, C, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga 및 In으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상이고,
    상기 a'는 0≤a'≤1이며,
    상기 b'는 0≤b'≤1이고,
    상기 y'는 0≤y'≤1이다.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 y'이 0≤y'≤0.5인 것인 열전재료.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1의 화합물이 다결정구조 또는 단결정구조를 갖는 것인 열전재료.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 열전재료가 상온에서 3.5 W/mK 이하의 열전도도를 갖는 것인 열전재료.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 열전재료가 상온에서 5 μV/K 이상의 제벡계수를 갖는 것인 열전재료.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 열전재료가 상온에서 0.05 이상의 성능지수를 갖는 것인 열전재료.
  15. 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재되는 열전소자를 구비하며,
    상기 열전소자가 상기 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 열전재료를 포함하는 것인 열전모듈.
  16. 열 공급원; 및
    상기 열공급원으로부터 열을 흡수하는 열전소자;
    상기 열전재료와 접촉하도록 배치된 제1 전극; 및
    상기 제1 전극과 대향하도록 배치되며, 상기 열전소자와 접촉하는 제2 전극;을 구비하는 열전모듈;을 구비하며,
    상기 열전소자가 상기 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 열전재료를 포함하는 것인 열전장치.
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