최근 환경？에너지 문제의 심각성이 크게 대두됨에 따라, 신재생에너지 및 에너지 효율화에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 에너지 효율 향상을 위한 기술 가운데 열전변환 기술은 배폐열 에너지의 재활용을 가능케 하므로 주목할 만한 기술이며, 열전변환에 의한 발전시스템은 열전재료에 의해 에너지의 직접적 변환이 가능하고 반영구적인 수명을 가지므로 친환경적인 발전시스템이라 할 수 있다. 특히, 열전재료 가운데 산화물계 소재는 금속계 소재보다 높은 ...
최근 환경？에너지 문제의 심각성이 크게 대두됨에 따라, 신재생에너지 및 에너지 효율화에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 에너지 효율 향상을 위한 기술 가운데 열전변환 기술은 배폐열 에너지의 재활용을 가능케 하므로 주목할 만한 기술이며, 열전변환에 의한 발전시스템은 열전재료에 의해 에너지의 직접적 변환이 가능하고 반영구적인 수명을 가지므로 친환경적인 발전시스템이라 할 수 있다. 특히, 열전재료 가운데 산화물계 소재는 금속계 소재보다 높은 녹는점을 갖는 비독성의 값싼 소재이며, 고온 열전반도체로서 많은 관심을 받고 있다. 대표적인 산화물계 소재로는 p형 열전반도체인 NaxCoO2, Ca3Co4O9와 n형 열전반도체인 ZnO, CaMnO3, BaxSr1-xPbO3, In4Sn3O12가 있다. 산화물계 소재 가운데 ZnO계 열전반도체는 1996년 Ohtaki 등에 의해 최초로 그 열전특성이 보고된 이래, 비교적 높은 Seebeck 계수로 인해 유망한 n형 산화물 열전반도체로 연구되어왔다. 2002년 Isobe 등은 (ZnO)5(In0.97Y0.03)2O3 조성으로 1073K에서 0.33의 무차원열전성능지수를 발표하였으며, 2009년 Ohtaki 등은 Zn0.96Al0.02Ga0.02O 조성으로 1247K에서 0.65의 무차원열전성능지수를 발표하였다. 하지만 ZnO계 소재는 물질 고유의 높은 열전도도로 인해 우수한 열전변환효율을 확보하는데 어려움을 겪고 있다. 따라서 최근 나노블럭구조 도입을 통해 결정립계에서의 포논 산란을 증가시켜 열전도도를 보다 낮추려는 시도가 있으며, 그로 인한 고효율의 열전성능을 기대할 수 있다. 2010년 Kinemuchi 등은 나노크기의 결정립을 가지는 ZnO 벌크체를 통해 열전도도의 감소(κ〈5 W/mK)를 도모하고자 하였으며, 2011년 Jood 등은 Al을 도핑한 ZnO 나노복합체에서 ZnAl2O4 나노석출물의 형성을 통해 1000K에서 2 W/mK 이하의 매우 낮은 열전도도를 달성, 0.44의 무차원열전성능지수를 보고하였다. 따라서 본 연구에서는 구조제어를 통한 ZnO 나노구조벌크체의 열전특성을 향상시키고자 하였다. 본 실험에서는 용액법에 의해 합성된 ZnO 나노입자를 결정립의 성장을 억제하면서 나노구조를 가진 벌크체로 만들고자 방전 플라즈마 소결을 하였다. 방전 플라즈마 소결법에 의해 제조된 ZnO 나노구조벌크체는 Al 첨가량을 조절하여 전기전도도와 열전도도를 적절히 제어하고자 하였으며, Al 첨가량의 증가를 통해 ZnO 나노구조벌크체의 전기전도도를 향상시키는 동시에 ZnAl2O4 나노석출물을 형성시켜 ZnO 나노결정립과 ZnAl2O4 나노석출물에 의한 포논의 입계경계산란을 보다 유도, 낮은 열전도도를 갖도록 도모하였다. 그러나 Al을 도핑한 ZnO 나노구조벌크체에서 포논뿐만 아니라 전자의 입계경계산란에 의해 열전도도에서의 감소와 더불어 전기전도도에서의 감소가 발생하였으며, 이를 보완하고자 MWCNT 첨가를 고려하였다. 따라서 MWCNT의 도입을 통해 ZnO 나노구조벌크체의 보다 높은 전기전도도와 낮은 열전도도를 구현하고자 하였다. 본 실험에서는 MWCNT의 응집으로 인한 분산 안정성의 저하를 막고자, 초음파 및 볼밀링 처리를 통해 MWCNT의 효과적인 분산을 도모하였으며, 방전 플라즈마 소결법을 이용하여 MWCNT/ZnO 나노복합체 및 MWCNT/AZO 나노복합체를 제조하였다. MWCNT 함량에 따른 MWCNT/ZnO 나노복합체와 MWCNT/AZO 나노복합체의 구조적 특성과 열전특성을 분석하고 이를 상세히 고찰하였다.
최근 환경？에너지 문제의 심각성이 크게 대두됨에 따라, 신재생에너지 및 에너지 효율화에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 에너지 효율 향상을 위한 기술 가운데 열전변환 기술은 배폐열 에너지의 재활용을 가능케 하므로 주목할 만한 기술이며, 열전변환에 의한 발전시스템은 열전재료에 의해 에너지의 직접적 변환이 가능하고 반영구적인 수명을 가지므로 친환경적인 발전시스템이라 할 수 있다. 특히, 열전재료 가운데 산화물계 소재는 금속계 소재보다 높은 녹는점을 갖는 비독성의 값싼 소재이며, 고온 열전반도체로서 많은 관심을 받고 있다. 대표적인 산화물계 소재로는 p형 열전반도체인 NaxCoO2, Ca3Co4O9와 n형 열전반도체인 ZnO, CaMnO3, BaxSr1-xPbO3, In4Sn3O12가 있다. 산화물계 소재 가운데 ZnO계 열전반도체는 1996년 Ohtaki 등에 의해 최초로 그 열전특성이 보고된 이래, 비교적 높은 Seebeck 계수로 인해 유망한 n형 산화물 열전반도체로 연구되어왔다. 2002년 Isobe 등은 (ZnO)5(In0.97Y0.03)2O3 조성으로 1073K에서 0.33의 무차원열전성능지수를 발표하였으며, 2009년 Ohtaki 등은 Zn0.96Al0.02Ga0.02O 조성으로 1247K에서 0.65의 무차원열전성능지수를 발표하였다. 하지만 ZnO계 소재는 물질 고유의 높은 열전도도로 인해 우수한 열전변환효율을 확보하는데 어려움을 겪고 있다. 따라서 최근 나노블럭구조 도입을 통해 결정립계에서의 포논 산란을 증가시켜 열전도도를 보다 낮추려는 시도가 있으며, 그로 인한 고효율의 열전성능을 기대할 수 있다. 2010년 Kinemuchi 등은 나노크기의 결정립을 가지는 ZnO 벌크체를 통해 열전도도의 감소(κ〈5 W/mK)를 도모하고자 하였으며, 2011년 Jood 등은 Al을 도핑한 ZnO 나노복합체에서 ZnAl2O4 나노석출물의 형성을 통해 1000K에서 2 W/mK 이하의 매우 낮은 열전도도를 달성, 0.44의 무차원열전성능지수를 보고하였다. 따라서 본 연구에서는 구조제어를 통한 ZnO 나노구조벌크체의 열전특성을 향상시키고자 하였다. 본 실험에서는 용액법에 의해 합성된 ZnO 나노입자를 결정립의 성장을 억제하면서 나노구조를 가진 벌크체로 만들고자 방전 플라즈마 소결을 하였다. 방전 플라즈마 소결법에 의해 제조된 ZnO 나노구조벌크체는 Al 첨가량을 조절하여 전기전도도와 열전도도를 적절히 제어하고자 하였으며, Al 첨가량의 증가를 통해 ZnO 나노구조벌크체의 전기전도도를 향상시키는 동시에 ZnAl2O4 나노석출물을 형성시켜 ZnO 나노결정립과 ZnAl2O4 나노석출물에 의한 포논의 입계경계산란을 보다 유도, 낮은 열전도도를 갖도록 도모하였다. 그러나 Al을 도핑한 ZnO 나노구조벌크체에서 포논뿐만 아니라 전자의 입계경계산란에 의해 열전도도에서의 감소와 더불어 전기전도도에서의 감소가 발생하였으며, 이를 보완하고자 MWCNT 첨가를 고려하였다. 따라서 MWCNT의 도입을 통해 ZnO 나노구조벌크체의 보다 높은 전기전도도와 낮은 열전도도를 구현하고자 하였다. 본 실험에서는 MWCNT의 응집으로 인한 분산 안정성의 저하를 막고자, 초음파 및 볼밀링 처리를 통해 MWCNT의 효과적인 분산을 도모하였으며, 방전 플라즈마 소결법을 이용하여 MWCNT/ZnO 나노복합체 및 MWCNT/AZO 나노복합체를 제조하였다. MWCNT 함량에 따른 MWCNT/ZnO 나노복합체와 MWCNT/AZO 나노복합체의 구조적 특성과 열전특성을 분석하고 이를 상세히 고찰하였다.
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