선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 1차 합성 분말을 260°C에서 6시간 동안 수소분위기에서 열처리하여 존재할 수 있는 표면의 산화물 등 불순물을 제거하고자 하였다.
- , SiGe 등과 더불어 관심을 모으는 열전반도체로서 특히 중온 영역에서 강점을 가지고 있으며, 구성 원소의 원자량이 커 격자진동에 의한 열전도도가 낮은 특징을 갖고 있다. 본 연구에서는 PbTe 소재의 열전도를 더욱 낮추기 위하여 입계에서의 격자 산란 효과를 극대화하고자 하였다. 입계 산란 효과를 높이기 위해서는 계면적이 넓은 나노 입자로 구성된 미세조직이 바람직하므로[6, 7], 먼저 화학적 방법으로 나노 PbTe 분말을 합성하였으며, 또한 Spark Plasma Sintering으로 치밀화 온도를 낮추어 입성장을 억제하고자 하였다[8].
- 이와 같은 방법으로 제조된 PbTe 시편에 대해 전기전도도, 제백계수와 열전도도 등의 변수를 평가하여 열전특성을 분석하였다. 이로부터 나노 분말 합성으로부터 제조한 미세 입자로 구성된 PbTe 소재의 열전도도의 변화가 열전특성에 미치는 영향 및 개선 가능성에 대해 알아보고자 하였다.
제안 방법
- 100°C에서 300°C 범위에서 전기전도도, 제백계수 그리고 열전도도로부터 열전특성을 평가하였다.
- 400°C, 450°C, 500°C의 온도에서 5분간 처리하였으며 이를 위해직경이 12 cm인 고강도 흑연 몰드에 약 15 g의 분말을 넣고 상하 펀치를 통해 80 MPa의 압력을 가하였다.
- PbTe를 화학적으로 합성하기 위하여 수용액 중에서 Pb2+와 Te2-이온을 반응시켜 석출을 유도하였다. 이에 증류수에 금속 Te 분말과 환원제로 같은 몰수의 NaBH4를 첨가하였고 pH 조절제로 NaOH를 첨가하여 100°C에서 2시간 동안 환원반응을 유도하였다.
- 그 후 여기에 Te와 같은 몰수의 Pb(CH3COO)2를 첨가하여 이온화된 Pb2+과 Te2-이 120°C에서 반응하도록 하였다.
- 소결체의 경우 가압방향에 수직인 면에 대하여 회절 분석을 수행하였다. 또한 합성분말의 크기, 형상 및 소결체 미세구조를 주사전자현미경(Jeol, JSM-6700F)으로 가속전압 10 kV의 조건으로 관찰하였다.
- 방전 플라즈마 소결장치(Syntex, SPS-3.20 MK-V)를 이용해 합성한 PbTe 분말의 치밀화를 도모하였다. 400°C, 450°C, 500°C의 온도에서 5분간 처리하였으며 이를 위해직경이 12 cm인 고강도 흑연 몰드에 약 15 g의 분말을 넣고 상하 펀치를 통해 80 MPa의 압력을 가하였다.
- 본 연구에서 소결체에 대해 전기저항률(ρ)을 측정하여 역수로부터 전기전도도(σ)를 계산하였다.
- 측정을 위해 36 kV의 가속 전압으로 주사속도 5°/min로 20~80°(2θ)범위에서 진행하였다. 소결체의 경우 가압방향에 수직인 면에 대하여 회절 분석을 수행하였다. 또한 합성분말의 크기, 형상 및 소결체 미세구조를 주사전자현미경(Jeol, JSM-6700F)으로 가속전압 10 kV의 조건으로 관찰하였다.
- 열전도도(κ)는 100°C와 300°C 사이에서 laser flash를 이용해 열확산도(λ)를 측정(LFA447, Netzsch)하여 열용량(Cp)과 이론밀도(d)를 식2에 적용하는 방법으로 계산하였다.
- 이에 증류수에 금속 Te 분말과 환원제로 같은 몰수의 NaBH4를 첨가하였고 pH 조절제로 NaOH를 첨가하여 100°C에서 2시간 동안 환원반응을 유도하였다.
- 입계 산란 효과를 높이기 위해서는 계면적이 넓은 나노 입자로 구성된 미세조직이 바람직하므로[6, 7], 먼저 화학적 방법으로 나노 PbTe 분말을 합성하였으며, 또한 Spark Plasma Sintering으로 치밀화 온도를 낮추어 입성장을 억제하고자 하였다[8]. 이와 같은 방법으로 제조된 PbTe 시편에 대해 전기전도도, 제백계수와 열전도도 등의 변수를 평가하여 열전특성을 분석하였다. 이로부터 나노 분말 합성으로부터 제조한 미세 입자로 구성된 PbTe 소재의 열전도도의 변화가 열전특성에 미치는 영향 및 개선 가능성에 대해 알아보고자 하였다.
- 본 연구에서는 PbTe 소재의 열전도를 더욱 낮추기 위하여 입계에서의 격자 산란 효과를 극대화하고자 하였다. 입계 산란 효과를 높이기 위해서는 계면적이 넓은 나노 입자로 구성된 미세조직이 바람직하므로[6, 7], 먼저 화학적 방법으로 나노 PbTe 분말을 합성하였으며, 또한 Spark Plasma Sintering으로 치밀화 온도를 낮추어 입성장을 억제하고자 하였다[8]. 이와 같은 방법으로 제조된 PbTe 시편에 대해 전기전도도, 제백계수와 열전도도 등의 변수를 평가하여 열전특성을 분석하였다.
- 제백계수(α)는 ZEM-3 (UlvacRico) 장비를 이용하여 측정하였다.
- 가압 중 Ar 가스를 흘렸으며 on-off pulse를 인가하였다. 제조된 소결체를 전기전도도, 제백계수 및 열전도도 측정에 적합하도록 절단하고 연삭하여 가공하였다.
- 측정을 위해 36 kV의 가속 전압으로 주사속도 5°/min로 20~80°(2θ)범위에서 진행하였다.
- 합성분말 및 소결체의 상을 확인하기 위하여 Cu Kα를 이용하여 X선 회절분석(Rigaku, D/max 2000)을 하였다.
- 화학적 분말합성법을 통하여 열전재료인 PbTe 분말을 100 nm 미만의 나노 분말로 제작하였으며, 가압 소결 공정을 통하여 400°C~500°C범위에서 97% 이상의 상대밀도를 갖는 치밀한 시편을 제조하여 열전특성을 평가하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 화학합성법으로 제조한 100 nm급 나노 분말을 Spark Plasma 소결하여 제조한 PbTe는 소결온도에 따라 0.5 μm 정도에서 1~2 μm 이하의 균일한 입자크기로 구성되어 있음을 그림 3으로부터 관찰할 수 있었다.
이론/모형
- 가압소결한 PbTe시편의 밀도를 Archimedes 침전법으로 측정하였으며 이론밀도로 나누어 상대밀도를 계산하였다. 합성분말 및 소결체의 상을 확인하기 위하여 Cu Kα를 이용하여 X선 회절분석(Rigaku, D/max 2000)을 하였다.
성능/효과
- 400°C에서 가압 소결해 제조한 시편과 달리 450°C와 500°C에서 가압 소결한 시편은 100~150°C구간에서 전기전도도가 온도에 따라 변화가 적게 나타나는 경향을 관찰할 수 있었다.
- 400℃ 소결체는 500 nm 정도의 입자들로 구성되었으며, 450℃ 소결체는 0.5~1 μm, 500°C 소결체는 1~2 μm 정도의 입자들로 구성되어 있음을 관찰할 수 있었다.
- 500°C에서 가압 소결한 시편이 전반적으로 우수한 전기 전도도를 가짐을 확인할 수 있었다.
- 500°C에서 제작한 시편이 100°C와 300°C에서 130~170 Wm-1K-2의 최고 값을 나타내었으며 소결 온도가 낮아짐에 따라 Power factor는 감소하였다.
- 따라서 제 3의 원소를 도핑하여 적절한 전하농도를 갖도록 조성을 설계하고, 1~2 μm 이하의 균일한 입자크기를 갖는 PbTe 소결체를 제조하는 열전재료 설계 방안을 구현한다면 성능지수(zT)도 효과적으로 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 5~1 μm, 500°C 소결체는 1~2 μm 정도의 입자들로 구성되어 있음을 관찰할 수 있었다. 또한 X선 회절 분석결과(그림 4) 모든 소결 온도에서 PbTe 분말과 유사한 회절 패턴을 확인 할 수 있었으며, 이로부터 소결체도 입방정 결정 구조를 유지하고 있음을 알 수 있었다.
- 또한 측정 온도에 따른 제백계수의 감소 결과에 따라 Power factor도 감소하여 200°C 근처에서 최저 값을 나타내었다.
- 본 연구로부터 화학적 분말합성법을 통해 1~2 μm 이하의 균일한 미세구조를 갖는 PbTe 소결체를 제조할 때 기존의 PbTe 재료에 비하여 열전도도가 크게 감소하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 100°C에서 300°C 범위에서 전기전도도, 제백계수 그리고 열전도도로부터 열전특성을 평가하였다. 본 연구에서 제조한 1~2 μm 이하의 균일한 입자크기를 갖는 PbTe 소결체는 PbTe ingot과 비교하여 열전도도가 크게 감소하여 0.8~1.0 W/m·K 정도를 나타냄을 관찰할 수 있었다. 이는 입자 미세화에 따른 입계 산란 효과 증가에 의해 열전도가 감소하여 나타나는 현상임을 확인할 수 있었다.
- 상대밀도는 소결 온도에 따라 완만히 상승하였으며 97%이상으로 나타났다. 수소 분위기 열처리 전 1차 합성 분말을 직접 소결한 경우 균열의 발생 등으로 치밀한 소결체를 얻기 어려웠으나, 수소 분위기 열처리 후 소결했을 때는 소결성이 개선되며 치밀화가 크게 상승함을 관찰할 수 있었다. 이로부터 XRD 분석에서 나타나지 않은 1차 합성분말의 표면 산화물 등 불순물이 수소 분위기 열처리를 통하여 효과적으로 제거되었음을 간접적으로 확인할 수 있었다.
- 0W/m·K 정도로 ingot에 비해 크게 감소한 결과를 나타내었다. 이는 본 연구에서 Spark Plasma 소결을 통해 제작한 시편의 경우 미세한 입자로 구성되어 입계면에서의 phonon 산란 효과가 증가하여 열전도도가 감소한 결과로 판단된다. 반도체의 열전도도는 일반적으로 격자의 열진동에 의한 kph, 전하의 이동에 의한 kel, 그리고 열적 여기에 의하여 고유 전도영역에서 전자와 정공이 동시에 열전도에 기여하는 양성 전도율(bipolar thermal conductivity)인 kamp 의 합으로 식 3과 같이 표현된다[12, 13].
- 수소 분위기 열처리 전 1차 합성 분말을 직접 소결한 경우 균열의 발생 등으로 치밀한 소결체를 얻기 어려웠으나, 수소 분위기 열처리 후 소결했을 때는 소결성이 개선되며 치밀화가 크게 상승함을 관찰할 수 있었다. 이로부터 XRD 분석에서 나타나지 않은 1차 합성분말의 표면 산화물 등 불순물이 수소 분위기 열처리를 통하여 효과적으로 제거되었음을 간접적으로 확인할 수 있었다. 그림 3은 400°C, 450°C, 500°C로 온도를 변화시키면서 5분간 소결한 시편의 미세구조를 관찰한 결과이다.
- 특히 200°C 부근에서 성능지수(zT)는 매우 낮은 값을 나타냈었는데, 이는 본 연구에서 사용한 PbTe가 도핑 원소를 함유하지 않아 온도 상승에 따라 p형 반도체에서 n형 반도체로 변화함으로써 200°C 부근에서 제백계수가 0에 가까운 결과로 인해 나타나는 현상이다.
- 화학적 분말합성법을 통하여 열전재료인 PbTe 분말을 100 nm 미만의 나노 분말로 제작하였으며, 가압 소결 공정을 통하여 400°C~500°C범위에서 97% 이상의 상대밀도를 갖는 치밀한 시편을 제조하여 열전특성을 평가하였다. 합성한 분말과 치밀화한 시편은 X선 회절분석 결과 모두 입방정 구조임을 확인하였다. 100°C에서 300°C 범위에서 전기전도도, 제백계수 그리고 열전도도로부터 열전특성을 평가하였다.
후속연구
- 통상의 PbTe는 Na, Mn, Se 등 다양한 제 3의 원소를 도핑하여 적절한 전하농도를 설계함으로써 열전성능을 향상시키고 있다. 본 연구의 성능지수가 비교적 낮은 값을 나타내지만, 제 3의 원소를 도핑하여 적절한 전하농도를 갖도록 조성을 설계한다면 전기적 성능 향상을 통해 성능지수 또한 개선할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구로부터 화학적 분말합성법을 통해 1~2 μm 이하의 균일한 미세구조를 갖는 PbTe 소결체를 제조할 때 기존의 PbTe 재료에 비하여 열전도도가 크게 감소하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 이로부터 1~2 μm 보다 작은 입자크기의 균일한 미세구조를 갖는 PbTe 소결체의 경우 포논 산란 효과를 통해 열전도도를 효과적으로 낮출 수 있으며, 이는 PbTe의 열전특성을 개선하는 주요 방안으로 활용할 수 있음을 제안할 수 있었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.