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N형 FeSi2의 열전특성에 미치는 입자크기 및 성형압력의 영향
The Effect of Particle Size and Compaction Pressure on the Thermoelectric Properties of n-type FeSi2 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.7, 2015년, pp.4835 - 4841  

배철훈 (인천대학교 생명공학부)

초록
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n형 FeSi2의 열전물성에 미치는 입자크기 및 성형압력의 영향에 대해 조사하였다. 입자크기가 다른 출발 분말을 각각 가압성형(성형압력; $70{\sim}220kg/cm^2$) 하였고, 제작한 성형체를 Ar 분위기 1473 K에서 7시간 소결한 후, 반도체상인 ${\beta}$상을 얻기 위해 1103 K에서 100시간 소둔처리 하였다. XRD, SEM 및 EDS를 이용해서 시편들의 미세구조 및 상분석을 행하였다. 동일 시료를 가지고 Ar 분위기 상온~1023 K에서 도전율과 Seebeck 계수를 동시에 측정하였다. 입자크기가 작을수록 소결밀도와 잔존 ${\varepsilon}$-FeSi 금속전도상 증가에 의해 도전율이 상승하였으며, Seebeck 계수는 700~800 K에서 최고값을 나타내었고, 입자크기가 작을수록 잔존 ${\varepsilon}$-FeSi 금속전도상 증가에 의해 감소하였다. 반면에 성형압력의 변화는 도전율 및 Seebeck 계수에 그다지 큰 영향을 미치지 않았다. 결과적으로 power factor는 성형압력 보다 입자크기에 큰 영향을 받았다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The effect of particle size and compaction pressure on the thermoelectric properties of n-type $FeSi_2$ was investigated. The starting powders with various particle size were pressed into a compact (compaction pressure; $70{\sim}220kg/cm^2$). The compact specimens were sintered...

주제어

#Co-doped $FeSi_2$   #Compaction pressure   #Electrical conductivity   #Particle size   #Seebeck coefficient  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 박막재료로서는 큰 전류를 흘릴 수가 없어서 발전을 목적으로 하기에는 비실용적이다. 따라서 본 연구진은 벌크상 열전소자제작을 목표로 Mn 첨가 p형 FeSi2를 출발물질로 해서 Mn 첨가량과 입자크기 및 SiO2, Fe2O3, Fe3O4 등의 추가 첨가가 열전변환물성에 미치는 영향에 대해 조사 발표한 바 있다[10,11]. 또한 일반적으로 열전모듈은 p형과 n형 소자를 직/병렬로 연결해서 사용하기 때문에, 본 연구에서는 Co 첨가 n형 FeSi2를 출발물질로 해서 입자크기와 성형 압력이 열전변환물성에 미치는 영향에 대해 조사하였다.
  • 따라서 본 연구진은 벌크상 열전소자제작을 목표로 Mn 첨가 p형 FeSi2를 출발물질로 해서 Mn 첨가량과 입자크기 및 SiO2, Fe2O3, Fe3O4 등의 추가 첨가가 열전변환물성에 미치는 영향에 대해 조사 발표한 바 있다[10,11]. 또한 일반적으로 열전모듈은 p형과 n형 소자를 직/병렬로 연결해서 사용하기 때문에, 본 연구에서는 Co 첨가 n형 FeSi2를 출발물질로 해서 입자크기와 성형 압력이 열전변환물성에 미치는 영향에 대해 조사하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
열전변환은 어떻게 활용되고 있는가? 지구온난화 등의 환경문제 해결을 위해 대체에너지 개발 및 폐에너지의 유효활용 관련 연구가 큰 관심사가 되고 있다. 특히 폐에너지의 효과적 이용법 중에서 전기 에너지로 변환시키는 열전변환은 선진국에서는 핵융합로 등에 응용하고 있으며, 비교적 변환효율은 작지만 태양에너지를 사용할 수 없는 영역에서의 전기에너지원으로 활용되고 있다.
열전변환효율은 어떻게 하면 높아지는가? 열전변환효율은 시스템의 고온부와 저온부의 온도차가 클수록, 열전재료의 성능지수 Z (Z=σα2/κ)가 증가할 수록 높아진다[1,2]. 여기서 σ는 도전율, α는 Seebeck 계수, κ는 열전도율을 나타낸다.
Fe-Si-O계 박막이 박막재료로서는 비실용적인 이유는? Matsubara 등은 이온클러스터빔법으로 제작한 Fe-Si-O계 박막이 ㎷ 수준의 대단히 큰 Seebeck 계수를 지니는 것을 보고하였다[9]. 그러나 박막재료로서는 큰 전류를 흘릴 수가 없어서 발전을 목적으로 하기에는 비실용적이다. 따라서 본 연구진은 벌크상 열전소자제작을 목표로 Mn 첨가 p형 FeSi2를 출발물질로 해서 Mn 첨가량과 입자크기 및 SiO2, Fe2O3, Fe3O4 등의 추가 첨가가 열전변환물성에 미치는 영향에 대해 조사 발표한 바 있다[10,11].
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참고문헌 (12)

  1. D. M. Rowe and C. M. Bhandari, "Modern Thermoelectrics", pp.35-48, Holt, Rinehart and Winston Ltd., London, 1983. 

  2. I. B. Cadoff and E. Miller, "Thermoelectric Materials and Devices", pp.173-183, Chapman and Hall Ltd., London, 1960. 

  3. T. Kojima, M. Okamoto, and I. Nishida, "Semiconducting and Thermoelectric Properties of Sintered Iron Disilicide", Proceedings of the 5th International Conference on Thermoelectric Energy Conversion, pp.56-61, 1984. 

  4. Y. Isoda, T. Ohkoshi, I. Nishida, and H. Kaibe, "Si-composition and Thermoelectric Property of Mn and Co doped $FeSi_2$ ", J. Mat. Sci. Soc. Jpn. 25, pp.311-319, 1989. 

  5. S. Tokita, T. Amano, M. Okabayashi, and I. Nishida, "Thermoelectric Properties of Mn- and Al-doped $FeSi_2$ ", Proceedings of the 12th International Conference on Thermoelectric Energy Conversion, pp.197-200, 1993. 

  6. C. H. Pai, T. H. Song and H. L. Lee, "Effect of Powder Oxidation on Thermoelectric Properties of Fe-Si Alloys", J. Ceram. Soc. Jpn. 109, pp.386-390, 2001. DOI: http://dx.doi.org/10.2109/jcersj.109.1269_386 

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  7. T. Sakata, Y. Sakai, H. Yoshino and H. Fuji, "Studies on the Formation of $FeSi_2$ from the $FeSi-Fe_2Si_5$ Eutectic", J. Less-Com. Met, 61, pp.301-308, 1978. 

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  8. T. Kojima, K. Masumoto and I. Nishida, "Formation of $FeSi_2$ from Sintered $FeSi-Fe_2Si_5$ Eutectic Alloy", J. Jpn. Inst. Met, 48, pp.843-847, 1984. 

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  9. K. Matsubara and T. Koyanagi, "Amorphous $FeSi_2$ Films as a new Thermoelectric Material Prepared by Ionized-Cluster Beam(ICB) Technique", Proceedings of the 6th International Conference on Thermoelectric Energy Conversion, pp.1-6, 1986. 

  10. C. H. Pai, "Thermoelectric Properties of Mn-doped $FeSi_2$ ", J. Kor. Inst. Met & Mater, 46, pp.315-320, 2008. 

  11. C. H. Pai, "The Effect of Particle Size and Additives on the Thermoelectric Properties of p-type $FeSi_2$ ", J. Kor. Academia-Inst. Cooperation Soc., 14, pp.1883-1889, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.4.1883 

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  12. U. Birkholtz and J. Schelm, "Mechanism of Electrical Conduction in ${\beta}-FeSi_2$ ", Phys. Stat. Sol., 27, pp.413-425, 1968. 

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