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$ZrO_2$를 나노개재물로 첨가한 p형 $(Bi,Sb)_2Te_3$ 나노벌크 가압소결체의 열전특성
Thermoelectric Characteristics of the p-type $(Bi,Sb)_2Te_3$ Nano-Bulk Hot-Pressed with Addition of $ZrO_2$ as Nano Inclusions 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.17 no.3, 2010년, pp.51 - 57  

여용희 (홍익대학교 신소재공학과) ,  김민영 (홍익대학교 신소재공학과) ,  오태성 (홍익대학교 신소재공학과)

초록
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p형 $(Bi,Sb)_2Te_3$ 분말을 용해/분쇄법으로 제조하여 가압소결 후 가압소결조건에 따른 열전특성을 분석하였으며, 나노개재물로서 $ZrO_2$의 첨가에 따른 열전특성의 변화거동을 분석하였다. 가압소결온도를 $350^{\circ}C$에서 $550^{\circ}C$로 증가시킴에 따라 가압소결체의 Seebeck 계수가 275 ${\mu}V$/K에서 230 ${\mu}V$/K로 감소하였으며, 전기비저항이 6.68 $m{\Omega}m$-cm에서 1.86 $m{\Omega}$-cm로 감소하였다. 1 vol% 이상의 $ZrO_2$ 함량 증가에 따라 power factor가 계속 감소하는 거동으로부터 $(Bi,Sb)_2Te_3$ 가압소결체의 최대 power factor를 얻을 수 있는 $ZrO_2$ 나노개재물의 최적 함량은 1 vol% 미만으로 판단되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Thermoelectric properties of the p-type $(Bi,Sb)_2Te_3$, hot-pressed with the $(Bi,Sb)_2Te_3$ powders fabricated by melting/grinding method, were characterized with variation of the hot-pressing conditions. Thermoelectric characteristics of the hot-pressed $(Bi,Sb)_2Te_3$<...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 분말과 나노개재물 입자들을 균질 혼합하기 위한 기계적 밀링공정이 요구된다. 본 연구에서는 ZrO2 나노입자를 첨가하지 않은 가압소결체에 대해서도 ZrO2 나노입자를 첨가한 가압소결체와 동일한 공정조건을 유지하기 위해 용해/분쇄법으로 제조한(Bi,Sb)2Te3 분말을 기계적 밀링처리하였다. 이를 위해(Bi,Sb)2Te3 분말을 볼과 분말의 무게비 5 : 1로 강구 (steel ball)와 함께 공구강 vial에 장입하였다.

가설 설정

  • 23) 나노개재물의 함량이 증가함에 따라 나노벌크 열전재료의 power factor (p = α2/ρ)가 증가하여 나노개재물의 최적 부피분율에서 최대값에 도달한 후, 그 이상의 나노개재물 첨가에 의해서는 power factor가 감소하게 된다.23) 나노개재물을 첨가한 열전재료에서는 나노 개재물 계면에서 포논 산란에 의해 열전도도가 감소하게 된다. 따라서 최적 함량 부근의 나노개재물을 첨가한 나노벌크 열전재료에서는 power factor의 증가와 더불어 열전도도의 감소에 의해 성능지수의 향상을 이루는 것이 가능하게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
열전재료은 어디에 응용되어 쓰이는가? 석유자원의 고갈에 대한 심각한 우려와 함께 기후 온난화와 환경오염을 방지하기 위한 방안으로써 전세계적으로 태양 에너지, 풍력, 조력, 지열, 산업용 폐ㆍ배열 등을 이용하여 환경친화적 발전이 가능한 그린 에너지 재료에 대한 관심이 급증하고 있다. 이와 같은 그린 에너지 재료 중의 하나인 열전재료는 열에너지와 전기에너지의 가역적 변환이 가능한 재료로서, 산업용 페배열이나 태양열, 지열 등의 자연에너지를 이용한 열전발전에 응용되고 있다.1-6)
열전발전의 장점은? 열전발전은 마이크로 발전에서 중형 발전까지 다양한 발전용량에 대한 적용성, 소형 독립전원, 무보수, 고신뢰성 등의 장점을 가지고 있으며, 24시간 가동이 가능하여 발전 출력이 안정적인 특징을 지니고 있다.6,7) 또한 화석연료 대신 폐ㆍ배열을 열원으로 이용하기 때문에 이산화탄소의 방출이 없는 친환경적 발전기술이다.
양자점 구조, 초격자 및 나노 와이어 형태의 나노스케일 열전재료 중 초격자 구조의 나노스케일 열전재료의 응용상의 문제점은? 그러나 초격자나 양자점 구조의 나노스케일 열전재료는 공정단가가 매우 높으며 또한 형상 인자에 기인하여 대용량 발전에 적용하기 어려운 커다란 문제점에 봉착하게 되었다. 초격자 구조의 나노스케일 열전재료에 평행한 방향으로 열전발전을 위한 고온단과 저온단의 온도차를 유지하면 초격자 계면에서의 포논산란효과가 발생하기 어려우며, 열전도에 대한 기판 효과를 배제하기 곤란하다. 또한 초격자 소자의 얇은 단면적에 기인하여 발전 용량이 크게 제약을 받게 된다. 반면에 초격자 소자에 수직 방향으로 온도차를 인가하는 경우에는 얇은 소자 두께에 기인하여 고온단과 저온단 사이에서 열전달이 매우 빨리 일어나서 열전발전을 위한 큰 온도차를 유지하는 것이 실질적으로 불가능하게 된다.
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참고문헌 (23)

  1. M. A. Ryan and J-P. Fleurial, "Where there is heat, there is a way: thermal to electric power conversion using thermoelectric micro converters", Electochem. Soc. Interface, 11, 30 (2002). 

  2. B. Poudel, Q. Hao, Y. Ma, Y. Lan, A. Minnich, B. Yu, X. Yan, D. Wang, A. Muto, D. Vashaee, X. Chen, J. Liu, M. S. Dresselhaus, G. Chen and Z. Ren, "High-Thermoelectric Performance of Nanostructured Bismuth Antimony Telluride Bulk Alloys", Science, 320, 634 (2008). 

  3. W. Kim, J. Zide, A. Gossard, D. Klenov, S. Stemmer, A. Shakouki and A. Majumdar, "Thermal Conductivity Reduction and Thermoelectric Figure of Merit Increase by Embedded Nanoparticles in Crystalline Semiconductors", Phys. Review Lett., 96, 045901 (2006). 

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  6. D. H. Park, M. R. Roh, M. Y. Kim and T. S. Oh, "Thermoelectric Properties of the n-type $Bi_{2}(Te,Se)_{3}$ Processed by Hot Pressing", J. Microelectron. Packag. Soc., 17(2), 49 (2007). 

  7. D. R. Rowe, "CRC handbook of Thermoelectrics", CRC Press, Boca Raton, pp.441-458 (1995). 

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  9. R. Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Colpitts, B. O'Quinn, "Thin-film Thermoelectric Devices with High Room-temperature Figures of Merit", Nature, 413, 597 (2001). 

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  14. X. B. Zhao, S. H. Yang, Y. Q. Cao, J. L. Mi, Q. Zhang and T. J. Zhu, "Synthesis of Nanocomposites with Improved Thermoelectric Properties", J. Electron. Mater., 38, 1017 (2009). 

  15. J-F. Li and J. Liu, "Effect of Nano-SiC Dispersion on Thermoelectric Properties of Bi2Te3 Polycrystals", Phys. Stat. Sol., 203, 3768 (2006). 

  16. H. L. Ni, X. B. Zhao, T. J. Zhu, X. H. Ji and J. P. Tu, "Synthesis and Thermoelectric Properties of Bi2Te3 Based Nanocomposites", J. Alloys & Compounds, 397, 317 (2005). 

  17. M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, X. Sun, Z. Zhang, S. B. Cronin, T. Koga, J. Y. Ming and G. Chen, "The Promise of Low-Dimensional Thermoelectric Materials", Microscale Thermophysical Engineering, 3, 89 (1999). 

  18. H. J. Kim, B. Y. Jung, D. B. Hyun and T. S. Oh, "Mechanical Alloying Process and Thermoelectric Properties of p-type $(Bi_{1-x}Sb_{x})_{2}Te_{3}$ ", J. Korean Inst. Met. Mater., 36(3), 416 (1998). 

  19. M. J. Smith and R. J. Knight, "Properties of $Bi_{2}Te_{3}-Sb_{2}Te3$ ", J. Appl. Phys., 33(7), 2186 (1962). 

  20. G. R. Miller and C.-Y. Li, "Evidence for the Existence of Antistructure Defects in Bismuth Telluride by Density Measurements", J. Phys. Chem. Solids, 26, 173 (1965). 

  21. J. Horak, K. Cermak and L. Koudelka, "Energy Formation of Antisite Defects in Doped $Sb_{2}Te_{3}$ and $Bi_{2}Te_{3}$ Crystals", J. Phys. Chem. Solids, 47, 805 (1986). 

  22. D. M. Gel'fgat and Z. M. Dashevskii, "Influence of Annealing in Air on the Electrophysical Properties of n-Type Solid Solutions in the $Bi_{2}Te_{3}-Sb_{2}Te_{3}$ System", Inorg. Mat., 19, 1172 (1984). 

  23. S. J. Thiagarajan, W. W. R. Yang, "Nanocomposites as High Efficiency Thermoelectric Materials", Annual Review of Nano Research, Vol. 3, edited by G. Cao, Q. Zhang, C. J. Brinker, World Scientific Publishing Co., pp.441-486 (2009). 

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