• Korean Journal of Materials Research
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• v.7 no.5
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• pp.374-380
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• 1997

열전재료 분말을 AI관에 진공봉입하고 형틀가입한 후 소결하는 새로운 방법으로 n형 B $i_{2}$T $e_{2.4}$S $e_{0.6}$를 제조하여 소결조건에 따른 소결성과 열전특성을 조사.분석하였다. AI은 소결시 열전재료와 반응하지 않아 보호 용기로 적합하였으며, 평균입도 195$\mu\textrm{m}$의 분말을 사용하여 성형압 280 MPa, 온도 400에서 50$0^{\circ}C$에서 소결할 경우 성능지수는 1.9x $10^{-3}$K였다.다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.661-661
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• 2013

열전재료는 열-전기가 상호 가역적으로 변하는 재료로서, 에너지 변환소재 분야에서 널리 각광받고 있다. 열전재료의 성능은 무차원 열전성능지수(dimensionless figure of merit, $ZT={\alpha}^2{\sigma}T/{\kappa}$)로 평가된다. 여기서 ${\alpha}$는 제벡계수(Seebeck coefficient), ${\sigma}$는 전기전도도(electrical conductivity), ${\kappa}$는 열전도도(thermal conductivity), T는 Kelvin 온도를 나타낸다. 500 K에서 800 K까지의 중온 영역에서 우수한 열전특성을 보이는 $Mg_2X$ (X=Si, Ge, Sn)와 이들의 고용체는 성분원소가 독성이 없고, 매장량이 많아 친환경 열전재료로 각광받고 있다. $Mg_2X$ 고용체 중 $Mg_2Si-Mg_2Sn$ 고용체는 Si와 Sn의 큰 원자량 차이로 인해 낮은 열전도도와 높은 성능지수(ZT)를 얻을 것이라 예상되며 열전발전 소자로서의 응용이 기대된다. Sb가 도핑된 $Mg_{2+x}Si_{0.7}Sn_{0.3}Sb_y$ (x=0, 0.1, 0.2, y=0, 0.01) 고용체를 고상합성과 기계적 합금화로 합성한 후, 진공 열간압축 성형을 통해 성공적으로 제조하였다. X선 회절분석으로 상합성과 고용체 형성 여부를 확인하였고, Mg의 과잉첨가와 Sb 도핑에 따른 열전특성의 변화를 조사하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2018.06a
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• pp.127-127
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• 2018

열전변환기술은 폐열을 전기로 변환하는 제벡효과를 이용한 기술이다. 열전변환효율은 재료의 성능에 따라 결정되며 성능지수 $ZT=S^2{\sigma}T/k$로 표현할 수 있다. 여기서 S는 제벡계수, ${\sigma}$는 전기전도도, k는 열전도도, T는 절대온도이다. GeTe계 열전재료는 $200{\sim}500^{\circ}C$에서 쓰이는 중온용 열전재료이다. 높은 성능지수를 가지기 위해서는 파워펙터($S2{\sigma}$)의 향상과 열전도도의 감소가 필요하다. GeTe계 화합물은 Ge의 공공 때문에 높은 캐리어 농도를 가지게 되고, 이로 인해 낮은 제벡계수 값과 높은 열전도도를 가지게 된다. 따라서 GeTe계 화합물의 성능 향상을 위해서는 캐리어농도 제어가 필수적이다. TEM을 통하여 GeTe를 관찰하면 밝고 어두운 콘트라스트들이 형성되어 있는 헤링본구조를 확인 할 수 있다. 콘트라스트를 보여주는 작은 평행사변형 하나는 헤링본구조의 가장 작은 단위인 도메인이며 이 도메인들이 특정한 방향으로 배열되어 콜로니를 형성하고 콜로니들이 특정한 방향으로 배열되어 헤링본구조를 이룬다. 헤링본의 폭과 길이를 제어 할 수 있다면 GeTe계 화합물의 열전특성 향상에 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 GeTe계 화합물내에 도핑원소 첨가를 통한 캐리어 농도제어와 도핑원소 첨가에 따른 헤링본구조의 변화에 관하여 연구하였다.

• Journal of the KSME
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• v.49 no.9
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• pp.35-39
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• 2009

열전현상을 열을 전기로 변환하거나, 전기를 열전현상(냉각현상)으로 변환하는 것이다. 열전소자는 안정적이고, 다양한 사이즈(나노$\sim$매크로)가 가능하나, 효율이 낮다. 최근 들어 나노기술이 도입되어 효율이 획기적으로 높아졌다. 이 글에서는 나노기술을 이용한 열전 재료의 연구 동향에 관하여 살펴보고자 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.695-695
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• 2013

양단간의 온도차를 이용한 열전 발전 및 펠티어 효과를 이용한 열전냉각 소자는 전기와 열의 직접적인 변환으로 활용도가 높아 차세대 에너지 연구 분야로 각광 받고 있다. 열전 소자의 성능 척도는 성능지수 Z (Figure of Merit)로 나타내며, Seebeck 계수 및 전기전도도, 열전도도의 관계로 주어지게 되고 재료의 물성치가 소자의 성능에 큰 영향을 주게 된다. 따라서, 열전재료의 성능을 높이는 연구가 활발히 진행되어 왔으며, 최근 에너지 밴드 구조를 조절하여 Seebeck계수의 향상을 시도하는 연구가 많이 진행되고 있다. 이는 페르미 레벨근처에 도핑 된 원자들이 Density of states에 추가로 준위를 형성하여 Seebeck 계수 향상을 가능하게 한다. 본 연구에서는 상온용 열전 물질인 $Bi_2Te_3$에 Iodine 도핑을 통한 열전 성능 변화를 고찰하고자 한다. $Bi_2Te_3$는 유기금속 화합물 증착 방법으로 성장하였고 기판으로 $4^{\circ}$기울어진 GaAs를 사용 하였다. 전기적 특성은 Seebeck 측정 및 Van der Pauw법에 의한 Hall measurement 방법으로 분석하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.450.1-450.1
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• 2014

열에너지를 전기에너지로 변환하거나 또는 전기에너지를 열에너지로 직접 변환하는 열전 변환 기술이 주목받고 있다. 열전 변환 효율은 성능지수($ZT={\alpha}^2{\sigma}T{\kappa}^{-1}$)로 평가되며, 여기서 ${\alpha}$, ${\sigma}$, ${\kappa}$, T는 각각 열전재료의 제벡계수, 전기전도도, 열전도도 및 절대온도이다. 따라서 우수한 열전재료는 높은 제벡계수와 전기전도도 그리고 낮은 열전도도를 가져야 한다. Bismuth telluride는 상온영역에서 성능지수가 높은 재료로서, $Bi_2Te_3$에 $Bi_2Se_3$와 고용체를 형성하면 원자의 치환으로 포논산란에 의해 열전도도가 낮아지고, 도핑으로 전기적 특성을 조절하여 성능지수를 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 진공밀폐 용해법으로 $Bi_2Te_{2.85}Se_{0.15}:I_m$ (m=0.0~0.045) 고용체를 합성하여 상분석을 실시하고, 전자 이동특성 및 열전 특성을 평가하였다.

• Composites Research
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• v.12 no.3
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• pp.75-83
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• 1999

The thermal properties of carbon/phenolic and silica/phenolic ablative composites were investigated by measuring the heat capacity, thermal diffusivity and thermal conductivity. The heat capacities of carbon/ phenolic and silica/phenolic composites were calculated from differential scanning calorimeter curve. The thermal diffusivities of carbon/phenolic and silica/phenolic composites were measured by the laser flash method with varying laminated direction, i.e., with laminar direction and across laminar direction. The thermal diffusivities decreased with increasing temperature. The thermal conductivities of carbon/phenolic and silica/phenolic composites were calculated using the heat capacity, density and thermal diffusivity. The thermal conductivities increased with increasing temperature. The thermal conductivity of with laminar direction is two times higher than that of across-laminar direction in carbon/phenolic composite due to the directionality of thermal conductivity of carbon fiber. The thermal conductivities of two dimensional fiber reinforced composites were analyzed using the conductivities of constituents and volume fraction of each constituent. The thermal conductivities of carbon fiber and silica fiber were calculated from thermal conductivities of carbon/phenolic and silica/phenolic composites. The thermal conductivities of carbon/phenolic and silica/phenolic composites at RT were predicted from thermal conductivities of fiber and resin with varying the volume fraction of fiber.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2017.05a
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• pp.129-129
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• 2017

열전재료는 열에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 열에너지로 직접 변환하는데 가장 널리 사용되는 재료이다. $Bi_2Te_3$계 열전 재료는 400K 이하의 비교적 저온 영역에서 높은 성능지수(Dimensionless Figure of merit, ZT($={\alpha}2{\sigma}T/{\kappa}$, ${\alpha}$: 제백계수, ${\sigma}$: 전기전도도, T: 절대온도, ${\kappa}$: 열전도도))를 나타내는 열전재료이며 자동차 시트나 정수기 등에 응용되고 있다. 열전모듈은 제조시 수십 개에서 수백 개 이상의 n형 및 p형 열전소자를 알루미나($Al_2O_3$)와 같은 세라믹 기판(substrate) 상에 접합된 동 전극 위에 전기적으로 서로 직렬로 접합시켜 제조한다. 기존의 열전모듈의 제조방법에는 동 전극 위에 위에 Sn합금 분말과 플럭스(flux)의 혼합물인 솔더페이스트를 스크린 인쇄법을 사용하여 동 전극에 도포한 다음, 그 위에 열전소자를 얹고 약 520K의 열풍을 가하여 솔더를 용융시켜 열전소자와 동 전극을 접합시킨다. 스크린 인쇄법에서는 인쇄 압력이 일정하지 않으면, 솔더페이스트 층의 두께가 균일하지 않게 되어 열전소자 접합부의 불량을 유발시킨다. 그러나 열모듈은 단 하나의 접합 불량이 모듈 전체의 열전변환성능에 심각한 영향을 줄 수 있기 때문에 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 솔더페이스트를 도포하지 않고 열전소자를 직접 동 전극과 접합할 수 있는 방법을 고안하였다. 무전해도금을 이용한 니켈층을 형성시킨 $Bi_2Te_3$계 열전소자 표면에 약 $50{\mu}m$의 주석도금층을 전기도금법을 구사하여 형성시켰다. 그 후, wire cutting을 통하여 $3mm{\times}3mm{\times}3mm$의 크기로 절단한 주석도금된 열전소자를 동 전극에 얹고 1.1KPa의 압력을 가하면서 523K의 핫플레이트 위에서 3분간 방치하여 직접(direct) 열압착 접합을 실시하였다. 접합부의 단면을 SEM을 이용하여 관찰한 결과, 동 전극과 열전소자 사이의 계면에 용융 후 응고된 주석층이 결함없이 균일하게 형성된 양호한 접합부를 관찰할 수 있었다. 따라서, 솔더페이스트를 이용하지 않고, 열전소자 표면에 주석도금을 실시한 후, 동 전극과 직접 열압착 본딩을 실시하는 방법은 균일한 접합계면을 얻을 수 있는 새로운 공정으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Association of Crystal Growth Conference
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• 1996.06b
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• pp.311-352
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• 1996

Peltier 효과를 이용한 열전소자는 열응담 감도가 좋고 선택적 냉각이 가능하며 무소음, 무진동 및 소형화의 장점으로 각종 전자부품의 국부냉각소자로 응용되고 있다. 또한 최근 냉매의 사용없이 냉각이 가능한 열전재료를 이용한 자동차나 가정용 에어컨 및 냉장고 등의 각종 냉방시스템의 개발도 크게 주목을 받고 있다. 기존의 Bi2Te3계 단결정 열전재료는 성능지수는 우수하나, 기계적 취약성에 기인하여 소자가공시 수율 저하가 가장 큰 문제점으로 지적되고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 최근 단결정에 비해 기계적 강도가 우수한 다결정 열전재료의 제조공정에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 그 일환으로 기계적 합금화법을 이용한 열전재료의 제조공정이 연구되고 있다. 원료금속이 고 에너지 볼-밀 내에서의 연쇄적인 파괴와 압접에 의해 합금분말로 변화되는 기계적 합금화 공정은 상온공정으로 이를 사용하여 다결정 열전재료를 제조시 기존의 다결정 열전재료의 제조공정인 "용해 및 분쇄법'과 비교하여 제조단가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 전자냉각소자용 열전재료로서 상온부근에서 성능지수가 가장 우수한 p형 (Bi,Sb)2Te3 및 n형 Bi2(Te,Se)3 합금분말을 기계적 합금화 공정으로 제조하여 분말 특성을 분석하였으며, 가압소결 후 열전특성의 변화거동을 연구하였다. 순도 99.99% 이상인 Bi, Sb, Te, Se granule을 (Bi1-xSbx)2Te3 및 Bi2(Te1-ySey)3 조성에 맞게 칭량하여 불과 분말의 무게비 5:1로 강구와 함께 공구강 vial에 장입 후, Spex mixer/mill을 이용하여 기계적 합금화 하였다. 기계적 합금화 공정으로 제조한 분말에 대한 X-선 회절분석과 시차 열분석으로 합금화 정도를 분석하였다. (Bi1-xSbx)2Te3 및 Bi2(Te1-ySey)3 합금분말을 10-5 torr의 진공중에서 300℃∼550℃의 온도로 30분간 가압소결하였다. 가압소결체의 파단면에서의 미세구조를 주사전자현미경으로 관찰하였으며, 상온에서 가압소결체의 열전특성을 측정하였다. (Bi1-xSbx)2Te3의 기계적 합금화에 요구되는 공정시간은 Sb2Te3 함량에 따라 증가하여 x=0.5 조성에서는 4 시간 45분, x=0.75 조성에서는 5 시간, x=1 조성에서는 6 시간 45분의 vibro 밀링이 요구되었다. n형 Bi2(Te1-ySey)3 합금분말의 제조에 요구되는 밀링시간 역시 Bi2Se3 함량 증가에 따라 증가하였으며 Bi2(Te0.95Se0.05)3 합금분말의 제조에는 2시간, Bi2(Te0.9Se0.1)3 및 Bi2(Te0.85Se0.15)3 합금분말의 형성에는 3시간의 bivro 밀링이 요구되었다. 기계적 합금화로 제조한 p형 (Bi0.2Sb0.8)2Te3 및 n형 Bi2(Te0.9Se0.1)3 가압 소결체는 각기 2.9x10-3/K 및 2.1x10-3/K 의 우수한 성능지수를 나타내었다.

• Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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• v.31 no.10
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• pp.881-887
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• 2014

Micro-sized Peltier coolers are generally employed for uniformly distributing heat generated in the multi-chip packages. These coolers are commonly classified into vertical and planar devices, depending on the heat flow direction and the arrangement of thermoelectric materials on the used substrate. Owing to the strong need for evaluation of performance of thermoelectric modules, at present an establishment of proper theoretical model has been highly required. The design theory for micro-sized thermoelectric cooler should be considered with contact resistance. Cooling performance of these modules was significantly affected by their contact resistance such as electrical and thermal junction. In this paper, we introduce the useful and optimal design model of small dimension thermoelectric module.