극단론자

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10045(2022) 이 기사 인용

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작은 입자 크기를 갖는 고결정성 Bi2Te3 기반 화합물은 Bi, Te 및 Se 분말을 사용하여 적절한 전류 밀도 하에서 실온에서 10초 내에 플래시 소결(FS) 방법으로 성공적으로 합성되었습니다. 결정립계에서 순간적으로 발생하는 국지적인 줄열은 화학반응과 결정화가 빠르게 완료되는 주요 원인으로 간주됩니다. FS 합성법과 SPS(Spark Plasma Sintering)를 결합하여 상대 밀도가 높은 Bi2Te3 기반 벌크 재료를 10분 만에 제조했습니다. SPS 공정에서 소결 온도와 유지 시간을 적절하게 연장하면 캐리어 농도와 포논 열전도율을 감소시키는 동시에 캐리어 이동도를 높일 수 있습니다. 따라서 753K에서 3분 동안 준비된 샘플은 723K에서 3분 동안 준비된 샘플의 ZT 값보다 20% 더 높은 ZT 값을 나타냅니다. 복잡한 작업으로 인해 몇 시간이 걸리는 공통 구역 용해 또는 분말 야금 방법에 비해 이 방법은 시간을 절약하고 비용이 저렴합니다.

에너지 및 환경위기가 점점 심각해짐에 따라 청정에너지 자원 및 녹색에너지 전환기술의 발굴은 관련 분야 연구자들에게 시급하고 필수가 되었습니다1. 열전재료는 제벡 효과(Seebeck effect)와 펠티에 효과(Peltier effect2)에 의해 열과 전기의 직접 변환을 구현할 수 있는 기능성 소재의 일종이다. 순수 고체 작동 모드, 높은 안정성 및 긴 수명으로 인해 열전 기술은 폐열에서 유용한 전기를 수확하거나 현장 냉동을 실현할 수 있는 기회를 제공합니다3,4,5. 열전 재료의 변환 성능은 일반적으로 무차원 성능 지수 ZT로 평가되며, 이는 ZT = S2σT/κ로 표현될 수 있습니다. 여기서 S는 제벡 계수, σ는 전기 전도성, κ는 열 전도성(전자 열 포함) 전도도 κe, 격자 열전도도 κl 및 양극 열전도도 κb), T는 절대 온도입니다6. 따라서 이상적인 열전재료를 위해서는 높은 전기전도도, 큰 제벡계수, 낮은 열전도도를 동시에 소유해야 한다. 텔루르화 비스무트(Bi2Te3)는 일종의 좁은 밴드갭 반도체 재료로 상대적으로 높은 전기 전도성, 큰 제벡 계수 및 300~500K8 사이의 낮은 열 전도성을 갖습니다. 지금까지 텔루르화 비스무트와 그 합금과 텔루르화 안티몬 또는 셀렌화 비스무트는 거의 실온에서 사용되는 가장 성숙한 열전 재료 시스템이었습니다9,10. 이 온도 범위에서 발전 및 고체 냉각을 위한 일부 상업용 열전 장치 및 모듈은 비스무트 텔루라이드 및 그 합금을 기반으로 성공적으로 개발되었습니다.

현재 상업용 텔루르화 비스무트 기반 열전재료는 일반적으로 ZM(Zone Melting) 방식으로 생산되고 있습니다. ZM 기술은 편리하지만 제조 공정은 시간이 많이 걸리고 에너지 집약적입니다. 고온에서 장시간 어닐링하면 조성 편차가 발생하여 열전 성능이 저하될 수도 있습니다. 더욱이, 가공된 제품은 방향성이 높고 기저 평면을 따라 쉽게 쪼개질 수 있어 기계적 특성이 저하되고 장기간 사용이 제한됩니다. 따라서 높은 기계적 특성과 열전 특성을 모두 갖춘 다결정 비스무트 텔루라이드 기반 열전 재료를 제조하기 위해 고급 소결 기술과 결합된 분말 야금 기술이 최근 몇 년 동안 광범위하게 연구되었습니다. 예를 들어, 작은 입자 크기와 변조된 미세 구조를 가진 Bi2Te3 기반 화합물을 합성하기 위해 고에너지 볼 밀링, 용융 방사 및 다양한 습식 화학 방법이 성공적으로 개발되었습니다. 이러한 합성 방법을 핫 프레싱(HP) 또는 스파크 플라즈마 소결(SPS) 기술과 결합함으로써 텔루르화 비스무트 기반 벌크 재료에서 상대적으로 견고한 기계적 특성과 높은 열전 성능이 동시에 달성되었습니다. 그러나 이러한 합성 방법은 여전히 ​​시간이 많이 걸리고 에너지 집약적이며, 합성 과정에서 생성물이 산화되거나 매체 및 유기 불순물에 의해 오염되어 열전 성능이 저하될 수 있습니다. 따라서 저비용, 고효율 및 간단한 제작 공정을 갖춘 고성능 다결정 텔루르화 비스무트 기반 열전 재료의 새로운 제조 방법을 개발하는 것이 큰 관심을 끌고 있습니다.