초록 ▼

■ 연구의 목적 및 내용

ㅇ본 연구에서는 열전특성을 갖는 2원계 칼코지나이드계 (Te, Se, S) 반도체를 Core/Shell 이종구조 나노파티클로 대량합성하는 습식공정을 개발함.

ㅇ합성된 이종구조 나노라드에 대한 급속 통전소결 (Spark Plasma Sintering: SPS)을 통해 나노결정립계 및 Core/Shell 구조 계면에서 포논산란 효과가 극대화된 고효율 열전발 전용 나노벌크 복합재료를 개발하고자 함.

ㅇ구체적으로 본 연구에서는 PbTe/PbS, PbTe/PbS 등 초격자 이종구

■ 연구의 목적 및 내용

ㅇ본 연구에서는 열전특성을 갖는 2원계 칼코지나이드계 (Te, Se, S) 반도체를 Core/Shell 이종구조 나노파티클로 대량합성하는 습식공정을 개발함.

ㅇ합성된 이종구조 나노라드에 대한 급속 통전소결 (Spark Plasma Sintering: SPS)을 통해 나노결정립계 및 Core/Shell 구조 계면에서 포논산란 효과가 극대화된 고효율 열전발 전용 나노벌크 복합재료를 개발하고자 함.

ㅇ구체적으로 본 연구에서는 PbTe/PbS, PbTe/PbS 등 초격자 이종구조 열전벌크복합체를 제조함. 급속 소결공정을 통해 기존의 열전재료에 비해 고 성능지수 (ZT >1.5)를 갖는 초격자 나노구조 열전복합재료를 개발함.


■ 연구결과

ㅇPbTe_1-xS_x, PbTeSe 고용체, 상분리, core/shell 나노소재 대량 합성 공정 개발.
ㅇ나노구조 및 고용체 나노구조 핵생성 및 결정성장 기구 규명. 최적의 나노구조 합성조건 결정
ㅇ나노소재 내부에서부터 상분리된 PbTe-PbSe 상분리 나노파티클 합성
ㅇ비납계 친환경 Cu, Sn, 및 Zn계 나노구조 합성조건 개발
ㅇ합성된 나노라드를 Hot pressing 및 SPS로 소결하여 나노구조를 유지하며 고밀도의 열전소재 개발
ㅇ급속소결에 의하여 형성된 나노결정립에 더하여 세계최초로 개발된 상분리 나노소재에 서의 초격자 구조에 의한 포논 산란중심 극대화
ㅇ열전도도의 이론적 한계값으로 알려진 매우 낮은 열전도도 구현 및 ZT~2.0의 고성능 열전소재 개발
ㅇ도핑, 고용체, core/shell 구조 등에 따른 열전특성의 변화에 대한 메커니즘 규명
ㅇA/B/A/B Superlattice (초격자) 구조 형성에 따른 열전특성 향상 거동 분석 및 메커니즘 규명.


■ 연구결과의 활용계획

ㅇ현재 개발된 상분리된 PbSe-PbTe 나노파티클은 특허출원하여 지식재산권을 확보하는 중임.
ㅇ추가 연구를 통하여 다양한 이종구조 열전반도체에서 상분리가 일어나는 나노파티클 합성을 시도하고자 함.
ㅇ상분리된 나노파티클이 열전 소결체의 구조에 미치는 영향과 최종적으로 열전소재의 성능에 미치는 영향을 분석하여 논문으로 게재 준비중임.
ㅇ보다 저렴한 시약과 대량생산이 가능한 PbTe-PbS 열전 나노분말 합성 및 제조에 관한 내용을 특허출원하여 지식재산권 확보중에 있음.
ㅇPbTe-PbS 계 열전소재의 특성을 분석하여 낮은 열전도도에 더하여 power factor를 증대시키는 방안을 연구하여 논문으로 게재 준비중임.
ㅇ본 과제를 통해 개발된 고성능 열전소재의 지식재산권 확보와 동시에 인증기관 검증을 통해 신뢰성을 확보하고 해당 열전소자 기업에 기술이전을 실시할 예정임.

(출처:연구결과 요약문 p.4)

Abstract ▼

■ Purpose & contents

ㅇIn this research, we will first develop the mass-production of core/shell structure chalcogenides nanoparticles for thermoelectric applications.

ㅇNanostructured thermoelectric materials will be fabraicated via the sintering of as synthesized hetero-structured nano

■ Purpose & contents

ㅇIn this research, we will first develop the mass-production of core/shell structure chalcogenides nanoparticles for thermoelectric applications.

ㅇNanostructured thermoelectric materials will be fabraicated via the sintering of as synthesized hetero-structured nanoparticles using Spark Plasma Sintering. Microstructures including nano-precipitates, grain boundaries and phase boundaries will be controlled to reduce effectively lattice thermal conductivity.

ㅇThermoelectric figure of merit will be optimized by controlling the process of SPS sintering such as temperature, time and current density.


■ Result

ㅇWe synthesized heterostructured PbTe_1-xS_x, PbTeSe nanoparticles and developed the mass production process.
ㅇMechanism of nanostructured nucleation and growth was identified.
ㅇFor the first time, phase-seaprated PbTe-PbSe nanoparticles were developed.
ㅇEco-friendly and lead-free Cu, Sn and Zn related nanostructures were synthesized.
ㅇHigh density thermoelectric materials were fabricated via SPS and Hot pressing of as-synthesized nanoparticles.
ㅇLattice thermal conductivity was reduced dramatically via phase and grain boundaries due to rapid sintering using SPS.
ㅇHigh figure of merit (~2.0) was realized via very low thermal conductivity.
ㅇWith respect to doping concentrations and compositions, thermoelectric properties of sintered materials were revealed.
ㅇMechanism of high figure of merit due to A/B/A/B super lattice structures were suggessted.


■ Expected Contibution

ㅇPatent for phase-separated PbSe-PbTe nanoparticles.
ㅇPhase-separated nanoparticles will be researched at different heterostructure systems.
ㅇWe will report the effect of phase-separation in nanoparticles on thermoelectric properties.
ㅇPatent for mass production of PbTe-PbS phase separated nanoparticles.
ㅇWe will report the PbTe-PbS high-efficiency thermoelectric system due to low thermal conductivity and high power factor.
ㅇWe will transfer the technology of developed fabricating thermoelectric materials.

(출처:SUMMARY p.5)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 10
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 14
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 27
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 29
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 30
• 7. 참고문헌 ... 30
• 8. 연구성과 ... 32
• 9. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설.장비 현황 ... 34
• 10. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 34
• 11. 기타사항 ... 35
• 끝페이지 ... 35