The n-type $Bi_2(Te,Se)_3$ powders were fabricated by melting/grinding method and were hot-pressed in order to compare thermoelectric properties of the hot-pressed specimens with those of the $Bi_2(Te,Se)_3$ ingot. Effects of mechanical milling treatment of the $Bi_2(Te,Se...
The n-type $Bi_2(Te,Se)_3$ powders were fabricated by melting/grinding method and were hot-pressed in order to compare thermoelectric properties of the hot-pressed specimens with those of the $Bi_2(Te,Se)_3$ ingot. Effects of mechanical milling treatment of the $Bi_2(Te,Se)_3$ powders on thermoelectric characteristics of a hot-pressed specimen were also examined. The hot-pressed $Bi_2(Te,Se)_3$ exhibited power factors of $27.3{\sim}32.3{\times}10^{-4}W/m-K^2$ which were superior to $24.2{\times}10^{-4}W/m-K^2$ of the ingot. The $Bi_2(Te,Se)_3$, hot-pressed after mechanical milling treatment of the powders, possessed a non-dimensional figure-of-merit of 1.02 at $100^{\circ}C$ and exhibited extrinsic-intrinsic transition at $130^{\circ}C$.
The n-type $Bi_2(Te,Se)_3$ powders were fabricated by melting/grinding method and were hot-pressed in order to compare thermoelectric properties of the hot-pressed specimens with those of the $Bi_2(Te,Se)_3$ ingot. Effects of mechanical milling treatment of the $Bi_2(Te,Se)_3$ powders on thermoelectric characteristics of a hot-pressed specimen were also examined. The hot-pressed $Bi_2(Te,Se)_3$ exhibited power factors of $27.3{\sim}32.3{\times}10^{-4}W/m-K^2$ which were superior to $24.2{\times}10^{-4}W/m-K^2$ of the ingot. The $Bi_2(Te,Se)_3$, hot-pressed after mechanical milling treatment of the powders, possessed a non-dimensional figure-of-merit of 1.02 at $100^{\circ}C$ and exhibited extrinsic-intrinsic transition at $130^{\circ}C$.
Bi2(Te,Se)3 가압소결체를 5×5×10 (mm) 크기로 가공하여 상온에서 Seebeck 계수(α), 전기비저항(ρ) 및 열전도도(κ)를 측정하였다.
이때 가압소결압력에 따른 열전특성의 변화거동을 분석하기 위해, 가압소결압력을 30~120 MPa 범위에서 변화시켜 주었다. Bi2(Te,Se)3 합금분말의 기계적 밀링공정이 가압소결체의 열전특성에 미치는 영향을 분석하기 위해, 용해/분쇄법으로 형성한 Bi2(Te,Se)3 합금분말을 볼과 원료의 무게비 10 : 1로 강구 (steel ball)와 함께 공구강 vial에장입하였다. 이때 vial 내의 분위기는 기계적 밀링 공정중 합금분말의 산화를 방지하기 위하여 Ar 분위기로 유지하였으며, Spex mixer/mill을 사용하여 3시간 동안 vibro 밀링하였다.
Seebeck 계수, 전기비저항 및 열전도도의 측정값으로부터 Z =α2/(ρ·κ)의 관계식을 이용하여 성능지수 Z 및 무차원 성능지수 ZT의 온도의존성을 평가하였다. Hall 측정법을 이용하여 100 mA의 직류전류와 3000 G의 자기장을 가하면서 Bi2(Te,Se)3 잉곳과 가압소결체의 전하 농도 및 이동도를 분석하였다.
Seebeck 계수, 전기비저항 및 열전도도의 측정값으로부터 Z =α2/(ρ·κ)의 관계식을 이용하여 성능지수 Z 및 무차원 성능지수 ZT의 온도의존성을 평가하였다.
Seebeck 계수와 전기비저항의 측정값을 이용하여 Bi2(Te, Se)3 가압소결체의 상온에서의 power factor (p = α2/ρ)를 평가하였다.
99% 이상인 Bi, Te와 Se granule들을 아세톤, 증류수에서 차례로 초음파 세척하고 Bi는 10% 질산수용액, Te와 Se는 10% 염산수용액에서 각각 초음파 세척하여 표면 산화층을 제거한 후, 진공 오븐에서 건조하였다. 건조된 원료 granule들을 Bi2(Te0.9Se0.1)3 조성에 맞게 칭량한 후, 카본으로 내면을 코팅한 석영관에 장입하고 산소-아세틸렌 토치를 이용하여 진공 봉입하였다. Bi, Te 및 Se granule들이 진공봉입된 quartz tube를 rocking furnace에 장입하고 700℃에서 2시간 동안 유지하여 균질용해 후, 상온으로 급냉하여 Bi2(Te,Se)3 합금 잉곳을 형성하였다.
이때 vial 내의 분위기는 기계적 밀링 공정중 합금분말의 산화를 방지하기 위하여 Ar 분위기로 유지하였으며, Spex mixer/mill을 사용하여 3시간 동안 vibro 밀링하였다. 기계적 밀링처리를 한 Bi2(Te,Se)3 분말을 상온에서 325 MPa의 압력으로 cold press 후, graphite 몰드에 장입하고 진공 중에서 60 MPa의 가압소결압력을 인가하면서 550℃의 온도로 30분간 유지하여 가압소결하였다.
잉곳의 열전특성과 비교하였다. 또한 본 연구에서는 나노구조 벌크 열전재료 개발에 대한 기본 실험으로서 용해/분쇄법으로 제조한 Bi2(Te,Se)3 열전분말의 기계적 밀링처리가 가압소결체의 열전특성에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 상온용 n형 열전재료인 Bi2(Te,Se)3 합금 분말을 용해/분쇄법으로 제조하여 가압소결 후, 가압소결체의 열전특성을 Bi2(Te,Se)3 잉곳의 열전특성과 비교하였다. 또한 본 연구에서는 나노구조 벌크 열전재료 개발에 대한 기본 실험으로서 용해/분쇄법으로 제조한 Bi2(Te,Se)3 열전분말의 기계적 밀링처리가 가압소결체의 열전특성에 미치는 영향을 분석하였다.
Bi2(Te,Se)3 합금분말을 상온에서 10 MPa의 압력으로 cold press 후, graphite 몰드에 장입하여 진공 중에서 550℃의 온도로 30분간 유지하여 가압소결하였다. 이때 가압소결압력에 따른 열전특성의 변화거동을 분석하기 위해, 가압소결압력을 30~120 MPa 범위에서 변화시켜 주었다. Bi2(Te,Se)3 합금분말의 기계적 밀링공정이 가압소결체의 열전특성에 미치는 영향을 분석하기 위해, 용해/분쇄법으로 형성한 Bi2(Te,Se)3 합금분말을 볼과 원료의 무게비 10 : 1로 강구 (steel ball)와 함께 공구강 vial에장입하였다.
전기비저항은 Peltier 효과에 의한 오차를 최소화하기 위해, DC chopper를 사용하여 발생시킨 120 Hz의 square wave의 교류전류를 인가하며 4-point probe로 측정하였다. Seebeck 계수와 전기비저항의 측정값을 이용하여 Bi2(Te, Se)3 가압소결체의 상온에서의 power factor (p = α2/ρ)를 평가하였다.
합금분말 및 가압소결체의 결정상을 X-선 회절분석으로 분석하였다. 주사전자현미경을 이용하여 Bi2(Te,Se)3 잉곳과 가압소결체 파단면의 미세구조를 관찰하였으며, EDS (Energy Dispersive Spectroscopy)로 조성을 분석하였다. Bi2(Te,Se)3 가압소결체를 5×5×10 (mm) 크기로 가공하여 상온에서 Seebeck 계수(α), 전기비저항(ρ) 및 열전도도(κ)를 측정하였다.
크기가 3.6 mm 이하이며 순도가 99.99% 이상인 Bi, Te와 Se granule들을 아세톤, 증류수에서 차례로 초음파 세척하고 Bi는 10% 질산수용액, Te와 Se는 10% 염산수용액에서 각각 초음파 세척하여 표면 산화층을 제거한 후, 진공 오븐에서 건조하였다. 건조된 원료 granule들을 Bi2(Te0.
대상 데이터
Bi2(Te,Se)3 합금 잉곳을 알루미나 유발에서 분쇄 후, 38~90 µm 크기로 sieving 하여 가압소결용 합금분말을 형성하였다.
이론/모형
Seebeck 계수는 시편 한쪽을 sub-heater로 가열하여 시편 양단의 온도차 ∆T를 10℃ 정도로 유지한 후, 이에 의해 발생하는 전위차 ∆V를 측정하여 α = ∆V/∆T의 관계식을 이용하여 구하였다.
성능/효과
Fig. 3(c)에서 잉곳에 비해 가압소결체의 전자 농도가 증가한 결과로부터 Bi2(Te,Se)3 분말의 표면산화가 가압소결체의 전자 농도에 미치는 영향이 가압소결시 Te 휘발에 의한 영향보다 더 우세하게 작용하였음을 알 수 있다. Fig.
3에서 30~120 MPa 범위의 가압소결압력에 따른 가압소결체의 열전특성의 변화는 크게 없는 것으로 판단할 수 있다. Bi2(Te,Se)3 가압소결체의 열전특성을 잉곳의 특성과 비교시 분말형성 및 가압소결공정에 의해 Bi2(Te,Se)3의 Seebeck 계수와 전기비저항이 감소하였으며, 전자 농도가 증가하고 이동도가 감소하였다. Fig.
기계적 밀링 처리한 분말을 사용하여 제조한 Bi2(Te,Se)3 가압소결체는 130℃에서 외인성-내인성 천이거동을 나타내었다. 기계적 밀링처리를 한 분말을 사용하여 형성한 Bi2(Te,Se)3 가압소결체는 25℃에서 0.86의 무차원 성능지수 값을 나타내었으며, 온도 증가에 따라 무차원 성능지수 값이 증가하여 100℃에서 1.02의 최대값을 나타내었다.
1에 용해/분쇄법으로 형성한 Bi2(Te,Se)3 합금분말 및 이를 사용하여 제조한 가압소결체의 X-선 회절패턴을 나타내었다. 용해/분쇄법으로 형성한 합금분말에서와 마찬가지로 30~120 MPa의 가압소결압력을 인가하며 형성한 가압소결체에서도 Bi2(Te,Se)3 결정상의 회절피크들만이 관찰되었으며, 이로부터 550℃에서 30분간 유지하는 가압소결 공정에 의한 결정상의 변화는 없는 것을 확인하였다. Table 1에 EDS로 분석한 Bi2(Te,Se)3 잉곳 및 120 MPa의 가압소결압력을 인가하며 형성한 가압소결체의 조성을 나타내었다.
후속연구
우리나라의 에너지 소비구조는 선진국 대비 산업분야 에너지 소비비중이 높고, 에너지 원단위가 OECD 평균 에너지 원단위에 비해 매우 높은 형태이다. 또한 국내 총 생산량에 비례하여 일차에너지 소비량이 거의 동일하게 증가하는 구조를 지니고 있어, 향후 에너지 소비량이 계속 증가할 전망이다.7,8) 따라서 열전발전을 이용한 폐배열 에너지 재활용 기술의 개발은 에너지소비 감소 및 CO2 총량 저감을 효과적으로 달성하기 위한 적절한 대응 수단이 될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열전재료란?
석유자원의 고갈에 대한 심각한 우려와 함께 기후 온난화와 환경오염을 방지하기 위한 방안으로써 최근 전세계적으로 그린에너지 재료, 즉 기존의 화석연료와 차별화 되는 환경친화적 에너지 재료와 더불어 에너지 재활용에 대한 관심이 급증하고 있다. 대표적인 에너지 재활용 관련 재료인 열전재료는 열에너지와 전기에너지의 가역적 변환이 가능한 재료로서, Seebeck 효과를 이용한 열전발 전과 Peltier 효과를 이용한 열전냉각에 응용되고 있다.1-5)
열전재료는 어디에 응용되고 있는가?
석유자원의 고갈에 대한 심각한 우려와 함께 기후 온난화와 환경오염을 방지하기 위한 방안으로써 최근 전세계적으로 그린에너지 재료, 즉 기존의 화석연료와 차별화 되는 환경친화적 에너지 재료와 더불어 에너지 재활용에 대한 관심이 급증하고 있다. 대표적인 에너지 재활용 관련 재료인 열전재료는 열에너지와 전기에너지의 가역적 변환이 가능한 재료로서, Seebeck 효과를 이용한 열전발 전과 Peltier 효과를 이용한 열전냉각에 응용되고 있다.1-5)
열전발전이 폐배열을 열원으로 이용하기 때문에 얻는 이점은?
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) 또한 화석연료 대신 폐배열을 열원으로 이용하기 때문에 이산화탄소의 방출이 없는 친환경적 발전기술이다.
참고문헌 (23)
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