[논문]0.5 vol% TiO2 나노분말을 분산시킨 n형 Bi2(Te0.9Se0.1)3 가압소결체의 열전특성

박동현; 오태성

doi:10.6117/kmeps.2013.20.1.015

0.5 vol% TiO2 나노분말을 분산시킨 n형 Bi2(Te0.9Se0.1)3 가압소결체의 열전특성
Thermoelectric Properties of the n-type Bi2(Te0.9Se0.1)3 Processed by Hot Pressing with Dispersion of 0.5 vol% TiO2 Nanopowders 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.20 no.1, 2013년, pp.15 - 19

초록
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용해/분쇄법으로 제조한 n형 $Bi_2(Te_{0.9}Se_{0.1})_3$ 분말에 0.5 vol% $TiO_2$ 나노분말을 분산시켜 가압소결 후, $TiO_2$ 나노분말의 분산이 $Bi_2(Te_{0.9}Se_{0.1})_3$ 가압소결체의 열전특성에 미치는 영향을 분석하였다. $Bi_2(Te_{0.9}Se_{0.1})_3$ 가압소결체는 $2.93{\times}10^{-3}/K$의 최대 성능지수 및 1.02의 최대 무차원 성능지수의 우수한 열전특성을 나타내었다. 0.5 vol% $TiO_2$ 나노분말의 첨가에 의해 $Bi_2(Te_{0.9}Se_{0.1})_3$ 가압소결체의 최대 성능지수가 $2.09{\times}10^{-3}/K$로 감소하였으며, 최대 무차원 성능지수는 0.68로 저하하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The n-type $Bi_2(Te_{0.9}Se_{0.1})_3$ powders, which were fabricated by melting/grinding method and dispersed with 0.5 vol% $TiO_2$ nanopowders, were hot-pressed in order to investigate the effects of $TiO_2$ dispersion on the thermoelectric properties of the hot-pressed $Bi_2(Te_{0.9}Se_{0.1})_3$. Excellent thermoelectric properties such as a maximum figure-of-merit of $2.93{\times}10^{-3}/K$ and a maximum dimensionless figure-of-merit of 1.02 were obtained for the hot-pressed $Bi_2(Te_{0.9}Se_{0.1})_3$. With dispersion of 0.5 vol% $TiO_2$ nanopowders, the maximum figure-of-merit and the maximum dimensionless figure-of-merit decreased to $2.09{\times}10^{-3}/K$ and 0.68, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 포논산란센터로서 0.5 vol% TiO₂ 나노 분말을 분산시킨 n형 Bi₂(Te_0.9Se_0.1)₃ 가압소결체를 형성하여, TiO₂ 첨가가 열전특성에 미치는 영향을 분석하였다.

제안 방법

0.5 vol% TiO2 나노 분말이 분산된 Bi2(Te0.9Se0.1)3 분말을 상온에서 325 MPa의 압력으로 5분간 cold press 한 후, graphite 몰드에 장입하고 진공 중에서 60 MPa의 압력을 가하면서 550 °C에서 30분간 유지하여 가압소결하였다.
Bi, Te 및 Se granule들이 진공봉입된 quartz tube를 rocking furnace에 장입하고 700 °C에서 2 시간 동안 유지하여 균질용해 후, 상온으로 급냉하여 Bi2(Te0.9Se0.1)3 합금 잉곳을 형성하였다.
1)₃ 가압소결체의 결정상을 X-선 회절분석 하였으며, 주사전자현미경을 사용하여 가압소결체 파단면의 미세구조를 관찰하였다. Bi₂(Te_0.9Se_0.1)₃ 가압소결체 및 0.5 vol% TiO₂가 분산된 Bi₂(Te_0.9Se_0.1)₃ 가압소결체의 Seebeck 계수와 전기비저항을 상온에서 측정하였으며, laser flash법을 사용하여 열전도도를 분석하였다. Seebeck 계수, 전기비저항 및 열전도도의 측정값으로부터 Z = α²/(ρ·k)의 관계식을 이용하여 Bi₂(Te_0.
Bi₂(Te_0.9Se_0.1)₃ 가압소결체의 결정상을 X-선 회절분석 하였으며, 주사전자현미경을 사용하여 가압소결체 파단면의 미세구조를 관찰하였다. Bi₂(Te_0.
Fig. 7에서와 같이 0.5 vol% TiO2 첨가에 의해 Bi2(Te0.9Se0.1)3 가압소결체의 무차원 성능지수 ZT의 최대값이 1.02에서 0.68로 저하하였으며, 최대 성능지수를 나타 내는 온도도 100 °C에서 75 °C로 저하하였다.
Seebeck 계수, 전기비저항 및 열전도도의 측정값으로부터 Z = α2/(ρ·k)의 관계식을 이용하여 Bi2(Te0.9Se0.1)3 가압소결체 및 0.5 vol% TiO2 를 첨가한 Bi2(Te0.9Se0.1)3 가압소결체의 성능지수 Z를 분석하고, 각 온도 T에서의 Z 값에 온도 T를 곱하여 무차원 성능지수 ZT를 산출하였다.
TiO₂ 첨가가 n형 Bi₂(Te_0.9Se_0.1)₃ 가압소결체의 열전특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 용해/분쇄법으로 제조한 Bi₂(Te_0.9Se_0.1)₃ 분말에 0.5 vol% TiO₂ 나노 분말을 첨가한 후 Spex mixer/mill을 사용하여 1시간 동안 바이브로 밀링하여 Bi₂(Te_0.9Se_0.1)₃ 분말 내에 0.5 vol% TiO₂ 분말을 분산시켰다. 0.
99% 이상인 Bi, Te 와 Se granule들을 아세톤, 증류수에서 차례로 초음파 세척하고 Bi는 10% 질산수용액, Te와 Se는 10% 염산수용 액에서 각각 초음파 세척하여 표면 산화층을 제거한 후, 진공 오븐에서 건조하였다. 건조된 원료 granule들을 Bi₂(Te_0.9Se_0.1)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 °C에서 2 시간 동안 유지하여 균질용해 후, 상온으로 급냉하여 Bi₂(Te_0.
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 °C의 온도로 30분간 유지하여 가압소결하였다.
5까지 비교하여 나타내었다. 또한 Fig. 6과 Fig. 7에는 이들 열전특성의 측정값으로부터 분석한 Bi₂(Te_0.9Se_0.1)₃ 가압소결체 및 0.5 vol% TiO₂ 나노분말을 분산시킨 Bi₂(Te_0.9Se_0.1)₃ 가압소결체의 성능지수 Z와 무차원 성능지수 ZT 값을 각기 비교하여 나타내었다.
크기가 3.6 mm 이하이며 순도가 99.99% 이상인 Bi, Te 와 Se granule들을 아세톤, 증류수에서 차례로 초음파 세척하고 Bi는 10% 질산수용액, Te와 Se는 10% 염산수용 액에서 각각 초음파 세척하여 표면 산화층을 제거한 후, 진공 오븐에서 건조하였다. 건조된 원료 granule들을 Bi₂(Te_0.

대상 데이터

Bi2(Te0.9Se0.1)3 합금 잉곳을 알루미나 유발에서 분쇄 후, 38~90 μm 크기로 sieving 하여 가압소결용 합금분말을 형성하였다.

성능/효과

1)₃ 와 TiO₂ 나노개재물 계면에서의 전하산란에 기인한다. 0.5 vol% TiO₂ 나노분말을 첨가한 Bi₂(Te, Se)₃ 가압소결체가 더 높은 전기비저항을 가지고 있음에도 불구하고 열전도도는 Fig. 5와 같이 TiO₂ 를 첨가하지 않은 가압소결체와 유사한 열전도도를 나타내었으며, 이는 0.5 vol% TiO₂ 첨가에 의한 외인성-내인성 천이온도의 감소에 기인하는 것으로 판단된다. 외인성 열전재료의 열전도도는 온도 증가에 따라 감소하다 내인성으로 전이됨에 따라 ambipolar 효과에 의해 다시 증가하게 된다.
0.5 vol% TiO2 나노분말의 첨가에 의해 Bi2(Te0.9Se0.1)3 가압소결체의 최대 성능지수가 2.09×10-3/K로 감소하였으며, 무차원 성능지수 ZT는 0.68로 저하하였다.
0.5 vol% TiO₂ 첨가에 의해 Seebeck 계수가 증가하나 전기비저항이 크게 증가하며 또한 ambipolar 효과에 의해 열전도도가 증가하기 때문에, Fig. 6에서와 같이 0.5 vol% TiO₂ 나노분말의 첨가에 의해 Bi₂(Te_0.9Se_0.1)₃ 가압소결체의 성능지수가 감소하였다. Bi₂(Te_0.
1,7) 우리나라의 에너지 소비구조는 선진국 대비 산업분야 에너지 소비비중이 높고, 에너지 원단위가 OECD 평균 에너지 원단위에 비해 매우 높은 형태이다. 또한 국내 총생산량에 비례하여 일차에너지 소비량이 거의 동일하게 증가하는 구조를 지니고 있어, 향후 에너지 소비량이 계속 증가할 전망이다.
본 연구에서 얻은 Bi2(Te0.9Se0.1)3 가압소결체의 성능지수인 2.84×10-3/K는 0.05 wt% CdI2를 도핑한 Bi2(Te0.9Se0.1)3 단결정에서 보고된 상온 성능지수인 3.2×10-3/K 보다는 낮으나, 0.1 wt% SbI3를 도핑한 Bi2(Te0.85Se0.15)3 단결정의 2.0×10-3/K, 0.03 wt% CuBr을 도핑한 Bi2(Te0.85Se0.15)3 단결정의 2.2×10-3/K 및 기계적 합금화 공정으로 제조한 Bi2(Te0.85Se0.15)3 가압소결체의 1.92×10-3/K에 비해 상당히 우수한 값이었다.
용해/분쇄법으로 제조하여 3시간 기계적 밀링한 Bi2(Te0.9Se0.1)3 합금분말을 550 °C에서 가압소결한 Bi2(Te0.9Se0.1)3 가압소결체는 상온에서 2.84×10-3/K의 성능지수와 50 °C에서 2.93×10-3/K의 최대 성능지수 및 상온에서 0.85의 무차원 성능지수와 100 °C에서 1.02의 최대 무차원 성능지수의 우수한 열전특성을 나타내었다.
용해/분쇄법으로 형성한 합금분말에서와 마찬가지로 합금분말을 기계적 밀링한 분말 및 가압소결체에서도 Bi2(Te, Se)3 결정상의 회절피크들만이 관찰되었으며, 이로부터 3시간의 기계적 밀링공정 및 550 °C에서의 가압소결 공정에 의한 결정상의 변화는 없는 것을 확인하였다.

후속연구

^1,7) 우리나라의 에너지 소비구조는 선진국 대비 산업분야 에너지 소비비중이 높고, 에너지 원단위가 OECD 평균 에너지 원단위에 비해 매우 높은 형태이다. 또한 국내 총생산량에 비례하여 일차에너지 소비량이 거의 동일하게 증가하는 구조를 지니고 있어, 향후 에너지 소비량이 계속 증가할 전망이다.^1,8,9) 따라서 열전발전을 이용한 폐배열 에너지 재활용 기술의 개발은 에너지소비 감소 및 CO₂ 총량 저감을 효과적으로 달성하기 위한 적절한 대응수단이 될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열전재료는 무엇이 가능한 재료인가?	기후 온난화를 방지하기 위해 이산화탄소의 방출을 억제하며 또한 석유자원의 고갈에 대한 대비책으로서 최근 전세계적으로 환경친화적 에너지 개발과 더불어 에너지 재활용에 대한 관심이 급증하고 있다. 열전재료는 에너지 재활용이 가능한 대표적인 재료로서, 열에너지와 전기에너지 사이의 Seebeck 효과를 이용한 열전발전과 Peltier 효과를 이용한 열전냉각에 응용되고 있다.1-6)
	열전발전의 장점은 무엇인가?	열전발전은 소형 독립전원, 무보수, 고신뢰성 등의 장점을 가지고 있어 마이크로 발전에서 중형 발전까지 다양한 발전용량에 적용이 가능하다.1,7) 우리나라의 에너지 소비구조는 선진국 대비 산업분야 에너지 소비비중이 높고, 에너지 원단위가 OECD 평균 에너지 원단위에 비해 매우 높은 형태이다.
	Bi2Te3 계 열전재료의 문제는 무엇인가?	1,2,7) 이와 같은 p형 및 n형 Bi2Te3 계 열전소자, 특히 전자냉각소자는 에너지 변환효율을 증가시키기 위하여 얇은 판상으로 제조되므로 소자가공시 열전재료의 기계적 강도가 요구된다. 그러나 육방정계 구조의 Bi2Te3계 단결정은 성능지수는 우수하나, c축에 수직한 벽개면을 따라 균열이 쉽게 전파되는 기계적 취약성 때문에 소자가공시 수율 저하가 가장 큰 문제점으로 지적 되고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 단결정에 비해 기계적 강도가 우수한 다결정 열전재료로서 Bi2Te3계 가압소결체에 대한 연구가 이루어지고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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