[논문]급속 응고 된 Bi2Te3-PbTe계 열전소재의 미세구조와 열전 특성

임주혁; 정규호; 유현우; 김광천; 김진상

doi:10.4313/jkem.2010.23.6.502

급속 응고 된 Bi2Te3-PbTe계 열전소재의 미세구조와 열전 특성
Microstructures and Thermal Properties of Water Quenched Thermoelectric Material in Bi2Te3-PbTe System 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.23 no.6, 2010년, pp.502 - 507

임주혁 (한국과학기술연구원 재료연구본부 전자재료센터) , 정규호 (한국과학기술연구원 재료연구본부 전자재료센터) , 유현우 (한국과학기술연구원 재료연구본부 전자재료센터) , 김광천 (한국과학기술연구원 재료연구본부 전자재료센터) , 김진상 (한국과학기술연구원 재료연구본부 전자재료센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to design nano structured materials with enhanced thermoelectric properties, the alloys in the pseudo-binary $Bi_2Te_3$-PbTe system are investigated for their micro structure properties. For this synthesis, the liquid alloys are cooled by the water quenching method. Micro structure images are obtained by using an electron probe micro analyzer(EPMA). Dendritic and lamellar structures are clearly observed with the variation in the composition ratio between $Bi_2Te_3$ and PbTe. The increase in the $Bi_2Te_3$ composition ratio causes to change of the structure from dendritic to lamellar. The Seebeck coefficient of sample 5, in which the mixture rate of $Bi_2Te_3$ is 83%, is measured as the highest value. In contrast, the others decrease with the increase of the $Bi_2Te_3$ composition ratio. Meanwhile, p-type characteristics are observed in sample 6, at 91%-$Bi_2Te_3$ mixture rate. The power factors of the all samples are calculated with the Seebeck coefficient and resistivity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 Bi₂Te₃-PbTe의 혼합비에 따른 미세구조의 변화와 열전 특성에 대해 조사하였다. Bi₂Te₃의 함유량이 많아질수록 시편의 미세구조는 dendrite 구조에서 층상구조로 변화하였고, 시편 1의 경우 XRD 분석을 통해 PbBi₂Te₄의 모조상 위에 PbTe가 분포하고 있음을 확인 할 수 있었다.
본 연구에서는 기존의 top down 방식의 나노구조 열전소재와는 달리 이종물질의 상 분리를 이용하여 자연나노구조의 열전소재를 제조하고자 하였다. 이를 위해 상온에서 최대의 열전성능을 보이는 Bi-Te계 물질과 중온영역에서 높은 열전성능을 보이는 PbTe를 일정비율로 합성하고 급냉법을 통하여 자연나노구조의 열전소재를 제조하였다.
이를 위해 상온에서 최대의 열전성능을 보이는 Bi-Te계 물질과 중온영역에서 높은 열전성능을 보이는 PbTe를 일정비율로 합성하고 급냉법을 통하여 자연나노구조의 열전소재를 제조하였다. 이를 통하여 제조된 자연나노구조 열전소재의 구조적특성 및 열전성능을 분석하여 Bi₂Te₃와 PbTe 혼합비에 따른 특성 변화를 알아보고자 하였다.

제안 방법

절단 된 시편은 다이아몬드 슬러리(1 ㎛)로 최종 연마되었다. 미세조직은 조성에 대한 명암이 뚜렷하게 측정 가능한 backscattered electron(BSE) detector가 장착된 electron probe microanalyzer (EPMA, Japan, JEOL Co., JXA-8500F)을 사용하여 관측되었다. 구동 전압은 20 kV로 하였다.
시료를 용해시키기 위하여 수직 용해로를 이용하여 700℃에서 24시간동안 열처리하였고, 용해된 화합물은 물에서 급냉 시킨 후 실험목적에 맞추어 절단되었다. 절단 된 시편은 다이아몬드 슬러리(1 ㎛)로 최종 연마되었다.
구동 전압은 20 kV로 하였다. 시편의 미세구조 구성상에대한 화학적 조성을 파악하기 위해 EPMA에 장착된 wavelength dispersive X-ray spectrometer(WDS)와 XRD(Netherlands, PAN-alytical Co, X/Pert PRO)를 이용하였고, 제벡계수와 전기 비저항을 순차적으로 측정 가능한 열전측정장치(Japan, ULVAC Co, ZEM-2M)를 이용하여 열전특성을 측정하였다.
본 연구에서는 기존의 top down 방식의 나노구조 열전소재와는 달리 이종물질의 상 분리를 이용하여 자연나노구조의 열전소재를 제조하고자 하였다. 이를 위해 상온에서 최대의 열전성능을 보이는 Bi-Te계 물질과 중온영역에서 높은 열전성능을 보이는 PbTe를 일정비율로 합성하고 급냉법을 통하여 자연나노구조의 열전소재를 제조하였다. 이를 통하여 제조된 자연나노구조 열전소재의 구조적특성 및 열전성능을 분석하여 Bi₂Te₃와 PbTe 혼합비에 따른 특성 변화를 알아보고자 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 PbTe-Bi₂Te₃계 화합물시료를 제조하기 위하여 성분원소 Pb, Bi 그리고 Te(순도 99.999%이상)를 내경이 10 mm, 두께가 1.5 mm인 석영관에 장입하여 10^-4 Torr 진공상태에서 밀폐하였다. 각 화합물들의 혼합비를 표 1에 표시하였다.

성능/효과

-PbTe의 혼합비에 따른 미세구조의 변화와 열전 특성에 대해 조사하였다. Bi₂Te₃의 함유량이 많아질수록 시편의 미세구조는 dendrite 구조에서 층상구조로 변화하였고, 시편 1의 경우 XRD 분석을 통해 PbBi₂Te₄의 모조상 위에 PbTe가 분포하고 있음을 확인 할 수 있었다. 제벡계수와 전기 비저항을 측정한 결과, Bi₂Te₃함유량이 91%인 시편6(p-type)을 제외한 모든 화합물은 n-type 반도체이고, 제벡계수는 Bi₂Te₃ 함유량이 83%인 시편에서 -46.
함유량이 83%인 시편은 비저항이 비교적으로 높았던 반면 제벡계수가 높아 70% 함유량의 시료보다 높은 값을 보였다. 또한 p-type으로 관찰된 Bi₂Te₃ 함유량이 91%인 시편은 온도 의존도가 상대적으로 적게 나타났다.
열전소재의 제벡계수의 온도 의존성을 나타낸 결과이다. 시편6(Bi₂Te₃함유량 91%)을 제외한 모든 시편의 제벡계수는 (-)부호로 나타났으며, 이는 n-type 반도체임을 보여주는 결과이다. 재료내의 구조 변화나 조성의 변화는 제벡 특성의 절대치의 변화를 결정한다고 할 수 있다.
XRD 분석을 통하여 PbTe-Bi₂Te₃가 같이 존재하는 준안정상은 PbBi₂Te₄이며, 시편3 ～ 6에서 나타나는 짙은 회색상은 Bi₂Te₃상으로 추측할 수 있다. 실제로 Pb는 Bi와 이웃 원자로 원자의 질량과 반지름이 상당히 유사하여, 시편5와 6에 함유되어 있는 미량이 Pb는 구조의 변화를 일으키기 힘들며 Bi₂Te₃의 구조와 매우 흡사함을 확인 할 수 있었다.
재료내의 구조 변화나 조성의 변화는 제벡 특성의 절대치의 변화를 결정한다고 할 수 있다. 온도에 대한 특성은 측정온도가 증가함에 따라 제벡계수가 증가하는 경향을 보였으며 각 시료에 대하여 온도에 따른 제벡 계수의 변화 경향은 거의 동일한 특성을 나타내었다. 이러한 특성은 소재 내의 상의 분리에 의한 구조적인 변화라기보다는 구성하는 원소의 함량에 따른 제벡계수의 변화를 보여준다고 할 수 있다.
95 μΩm 로 가장 낮게 측정되었다. 제벡계수와 비저항의 측정값을 계산하여 나타낸 출력인자는 Bi₂Te₃ 함유량이 50%인 시편에서 가장 높은 값(250～578 ㎼/mK²)으로 나타났고, 혼합비의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다.
Bi₂Te₃의 함유량이 많아질수록 시편의 미세구조는 dendrite 구조에서 층상구조로 변화하였고, 시편 1의 경우 XRD 분석을 통해 PbBi₂Te₄의 모조상 위에 PbTe가 분포하고 있음을 확인 할 수 있었다. 제벡계수와 전기 비저항을 측정한 결과, Bi₂Te₃함유량이 91%인 시편6(p-type)을 제외한 모든 화합물은 n-type 반도체이고, 제벡계수는 Bi₂Te₃ 함유량이 83%인 시편에서 -46.1 ～ -84.1㎶/K로 가장 높게 나타났다. 비저항은 Bi₂Te₃함유량이 50%인 시편1에서 4.
-PbTe 화합물의 혼합비에 따른 제벡 계수와 전기비저항 측정결과를 이용하여 구한 출력인자의 온도의존성을 나타낸다. 출력인자의 온도 의존성 그래프에서 Bi₂Te₃ 함유량이 50%인 화합물에서 가장 높은 값(270-600 ㎼/mK²)을 나타내었고, 혼합비의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다.
특히, Bi₂Te₃ 함유량이 83%인 시편은 비저항이 비교적으로 높았던 반면 제벡계수가 높아 70% 함유량의 시료보다 높은 값을 보였다. 또한 p-type으로 관찰된 Bi₂Te₃ 함유량이 91%인 시편은 온도 의존도가 상대적으로 적게 나타났다.
Bi₂Te₃의 함유량의 변화에 따른 제벡 값의 변화를 삽입 그림에 나타내었다. 함유량의 증가에 따라 제벡계수가 감소하다가 5:1비율(Bi₂Te₃함유량 83%)에서 급격히 증가하는 것으로 나타났다. p-type 반도체의 특성을 보인 10:1 (Bi₂Te₃함유량 91%) 시료의 경우, 온도에 따라 거의 일정한 값을 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열전현상이란?	1821년 독일의 제벡 [1]이 열전 현상을 발견한 이후, 열전 특성을 이용한 연구는 그 역사와 함께 매우 다양한 방면으로 진행되어 왔다. 특히, 열전현상은 두 물질 사이에 전류를 인가함으로써 재료 접합부 양단에 발열 및 냉각이 이루어지거나 역으로 두 물질간의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 현상으로 냉각소자개발과 열전 발전의 응용으로 많은 연구가 진행되고 있다 [2,3]. 1843년 펠티어에 의해 발견된 펠티어 효과는 전기 에너지를 열에너지로 변환이 가능함을 보여주었으며, 특히 냉각 소자의 개발에 가능성을 열어주었다.
	열전소재는 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 반도체 재료가 주로 사용되는 이유는?	열전소재는 주로 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 반도체 재료가 주로 사용되고 있는데, 이는 열전 냉각 및 열전발전의 효율이 재료의 무차원 성능지수(dimensionless figure of merit), ZT에 크게 의존하기 때문이다.
	열전소재의 구조변형을 통해 열전성능 지수를 높이고자 한 이유는?	그러나 열전 현상에서 가장 큰 문제점은 열전성능지수를 구성하는 제벡계수와 전기 전도도 및 열전도도가 상호 종속적이므로 독립적으로 제어될 수 없는 물질 상수라는 것이다. 이러한 문제점 개선의 일환으로 최근에는 열전소재의 구조변형 즉, 초격자, 나노구조 등을 통하여 열전성능 지수를 높이고자 하는 노력이 활발히 이루어지고 있다.

참고문헌 (10)

T. J. Seebeck, Abhandlugen der Deutschen Akademie der Akademie der Wissenschaften zu (Berlin, 1822) p. 265.
R. R. Heikes and R. W. Ure, Jr., Thermoelectricity:Science and Engineering (Interscience Pub., London 1961).
A. F. Ioffe, Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling (Infosearch Ltd., London, 1957).
G. J. Snyder and E. S. Toberer, Nat. Mater. 7, 105(2008).

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J. C. Caylor, K. Coonley, J. Stuart, T. Colpitts, and R. Venkatasubramanian, Appl. Phys. Lett. 87, 023105 (2005).

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R. Venkatasubramanian, Phys. Rev. B 61, 3091 (2000).

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J.-H. Kim, D.-Y. Jeong, B.-K. Ju, and J.-S. Kim, J. Appl. Phys. 100, 123501 (2006).

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N. S. Golovanova, V. P. Zlomanov, and O. I. Tananaeva, Izv. Akad. Nauk SSSR, Neorg. Mater. 19, 740 (1983).
R. Chami, G. Brun, J.-C. Tedenac, and M. Maurin, Rev. Chim. Miner. 20, 305 (1983).
T. Hirai, Y. Takeda, and K. Kurata, J. Less-Common Met. 13, 352 (1967).

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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