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

• Journal of the Microelectronics and Packaging Society
• /
• v.18 no.4
• /
• pp.33-38
• /
• 2011

The p-type $(Bi_{0.2}Sb_{0.8})_2Te_3$ powers were fabricated by mechanical alloying and hot-pressed at temperatures of $350{\sim}550^{\circ}C$. Themoelectric properties of the hot-pressed $(Bi_{0.2}Sb_{0.8})_2Te_3$ were characterized as a function of the hot-pressing temperature. With increasing the hot-pressing temperature from $350^{\circ}C$ to $550^{\circ}C$, the Seebeck coefficient and the electrical resistivity decreased from 237 ${\mu}V/K$ to 210 ${\mu}V/K$ and 2.25 $m{\Omega}-cm$ to 1.34 $m{\Omega}-cm$, respectively. The power factor of the hot-pressed $(Bi_{0.2}Sb_{0.8})_2Te_3$ became larger from $24.95{\times}10^{-4}W/m-K^2$ to $32.85{\times}10^{-4}W/m-K^2$ with increasing the hot-pressing temperature from $350^{\circ}C$ to $550^{\circ}C$. Among the specimens hot-pressed at $350{\sim}550^{\circ}C$, the $(Bi_{0.2}Sb_{0.8})_2Te_3$ hot-pressed at $500^{\circ}C$ exhibited the maximum dimensionless figure-of-merit of 1.09 at $25^{\circ}C$ and 1.2 at $75^{\circ}C$.

• Korean Journal of Materials Research
• /
• v.23 no.2
• /
• pp.98-103
• /
• 2013

$Mg_{3-x}Zn_xSb_2$ powders with x = 0-1.2 were fabricated by mechanical alloying in a planetary ball mill with a speed of 350 rpm for 24 hrs and then hot pressed under a pressure of 70 MPa at 773 K for 2 hrs. It was found that there were systematic shifts in the X-ray diffraction peaks of $Mg_3Sb_2$ (x = 0) toward a higher angle with increasing Zn for both the powder and the bulk sample and finally the phase of $Mg_{1.86}Zn_{1.14}Sb_2$ was formed at the Zn content of x = 1.2. The $Mg_{3-x}Zn_xSb_2$ compounds had nano-sized grains of 21-30 nm for the powder and 28-66 nm for the hot pressed specimens. The electrical conductivity of hot pressed $Mg_{3-x}Zn_xSb_2$ increased with increasing Zn content and temperature from 33 $Sm^{-1}$ for x = 0 to 13,026 $Sm^{-1}$ for x = 1.2 at 323 K. The samples for all the compositions from x = 0 to x = 1.2 had positive Seebeck coefficients, which decreased with increasing Zn content and temperature, which resulted from the increased charge carrier concentration. Most of the samples had relatively low thermal conductivities comparable to the high performance thermoelectric materials. The dimensionless figure of merit of $Mg_{3-x}Zn_xSb_2$ was directly proportional to the Zn content except for the compound with Zn = 1.2 at high temperature. The $Mg_{3-x}Zn_xSb_2$ compound with Zn = 0.8 had the largest value of ZT, 0.33 at 723 K.

• Transactions on Electrical and Electronic Materials
• /
• v.16 no.6
• /
• pp.342-345
• /
• 2015

The n -type Hf_0.25Zr_0.25Ti_0.5NiSn_0.998Sb_0.002 Half-Heusler (HH) alloy composition was prepared by using the induction melting method in addition to the mechanical grinding, annealing, and spark plasma sintering processes. Analysis of X-ray diffraction (XRD) results indicated the formation of a pure phase HH structured compound. The electrical and thermal properties at temperatures ranging from room temperature to 718 K were investigated. The electrical conductivity increased with increasing temperatures and demonstrated nondegenerate semiconducting behavior, and a large reduction in the thermal conductivity to the value of 2.5 W/mK at room temperature was observed. With the power factor and thermal conductivity, the dimensionless figure of merit was increased with temperature and measured at 0.94 at 718 K for the compound synthesized by the induction melting process.

• Korean Journal of Materials Research
• /
• v.25 no.2
• /
• pp.68-74
• /
• 2015

The porous $Mg_3Sb_2$ based compounds with 60~70% of relative density were prepared by powder compaction at room temperature and reactive liquid phase sintering at 1023 K for 4hrs. The stoichiometric $Mg_3Sb_2$ compounds were synthesized from elemental Sb and Mg powder in the mixing range of 61~63 at% Mg. The increased scattering effect due to the micro-pores reduced the mobility of the charge carrier and the phonon, which caused the electrical conductivity and the thermal conductivity to decrease, respectively. But the scattering effect was greater for the electrical conductivity than for the thermal conductivity. Excess Mg alloyed in the $Mg_3Sb_2$ compounds decreased the electrical conductivity, but had no effect on the thermal conductivity. On the other hand, the large increase of the Seebeck coefficient was the result of a decrease in the charge carrier density due to the excess Mg. Dimensionless figure of merit of the porous $Mg_3Sb_2$ compound reached a maximum value of 0.28 at 61 at% Mg. The obtained value was similar to that of $Mg_3Sb_2$ compounds having little pores.

• Korean Journal of Materials Research
• /
• v.20 no.6
• /
• pp.326-330
• /
• 2010

$CoSb_3$ Skutterudites materials have high potential for thermoelectric application at mid-temperature range because of their superior thermoelectric properties via control of charge carrier density and substitution of foreign atoms. Improvement of thermoelectric properties is expected for the ternary solid solution developed by substitution of foreign atoms having different valances into the $CoSb_3$ matrix. In this study, ternary solid solutions with a stoichiometry of $Co_{1-x}Ni_xSb_3$ x = 0.01, 0.05, 0.1, 0.2, $CoSb_{3-y}Te_y$, y = 0.1, 0.2, 0.3 were prepared by the Spark Plasma Sintering (SPS) system. Before the SPS synthesis, the ingots were synthesized by vacuum induction melting and followed by annealing. For phase analysis X-ray powder diffraction patterns were checked. All the samples were confirmed as single phase; however, with samples that were more doped than the solubility limit some secondary phases were detected. All the samples doped with Ni and Te atoms showed a negative Seebeck coefficient and their electrical conductivities increased with the doping amount up to the solubility limit. For the samples prepared by SPS the maximum value for dimensionless figure of merit reached 0.26, 0.42 for $Co_{0.9}Ni_{0.1}Sb_3$, $CoSb_{2.8}Te_{0.2}$ at 690 K, respectively. These results show that the SPS method is effective in this system and Ni/Te dopants are also effective for increasing thermoelectric properties of this system.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
• /
• 2017.05a
• /
• pp.129-129
• /
• 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 Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2014.02a
• /
• pp.450.2-450.2
• /
• 2014

열전재료는 열-전기가 상호 가역적으로 변하는 재료로서, 최근 에너지 변환소재 분야에서 각광받고 있다. 열전재료의 특성 효율은 무차원 열전 성능지수(dimensionless figure of merit, $ZT={\alpha}2{\sigma}T/{\kappa}$)로 나타낼 수 있다. 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 열전 재료로 각광받고 있다. $Mg_2X$ 고용체 중 $Mg_2Si_{1-x}Ge_x$는 기존 $Mn_2Si$, $Mg_2Ge$, $Mg_2Sn$계 보다 더 우수한 열전 성능지수를 보인다. 다양한 제조 방법들이 시도되고 있으나, 조성설계 및 구조, 성능 조절의 어려움이 있고, Mg의 산화와 휘발 및 Mg, Si, Ge의 융점 차이가 크고 중력 편석과 반응하지 않은 원소들로 인해 제조가 상당히 어렵다. Sb가 도핑된 $Mg_2Si_{0.5}Ge_{0.5}Sb_y$ (y=0, 0.005, 0.01, 0.02, 0.03) 고용체를 고상반응으로 합성하고 진공열간 압축성형을 통해 성공적으로 제조하였다. 고용 상을 확인하기 위하여 X선 회절분석을 실시하였고, 고용체 형성과 도핑에 따른 전기적 특성변화를 평가하기 위해 Hall 효과를 측정하여 전자 이동특성을 분석하였고, 323~823 K까지 전기전도도, 제벡계수, 열전도도의 측정을 통해 열전 성능지수를 평가하였다.