Journal of the Korean Ceramic Society

Vol. 52, No. 1, pp. 1~8, 2015.

−1−

http://dx.doi.org/10.4191/kcers.2015.52.1.1

Recent Progress in Bi-Te-based Thermoelectric Materials

Kyu Hyoung Lee, Jong-Young Kim*, and Soon-Mok Choi**,†

Department of Nano Applied Engineering, Kangwon National University, Chuncheon 200-701, Korea

*Icheon Branch, Korea Institute of Ceramic Engineering and Technology, Icheon 467-843, Korea

**School of Energy, Materials and Chemical Engineering, Korea University of Technology and Education, Cheonan 330-708, Korea

(Received October 21, 2014; Revised December 11, 2014; Accepted December 15, 2014)

Bi-Te계 열전소재 연구 동향

이규형 · 김종영* · 최순목**,†

강원대학교 나노응용공학과

*한국세라믹기술원 이천분원

**한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부

(2014년 10월 21일 접수 ; 2014년 12월 11일 수정 ; 2014년 12월 15일 채택)

ABSTRACT

Thermoelectric (TE) technology is becoming increasingly important in applications of solid-state cooling and renewable energysources. Bi2Te3-based TE materials are widely used in small-scale cooling and temperature control applications; however, higher levelsof TE performance are required for new applications such as large-scale cooling (e.g., domestic refrigerators or air conditioners) andfor highly efficient power generation system. Recently, the TE performance of Bi2Te3-based materials has been remarkably enhancedby the introduction of nanostructuring technologies which can be used to prepare TE raw materials. Because it takes into account thetheoretical and experimental characteristics, nanostructuring has been shown to be one of the most promising ways to realize thesimultaneous control of the electronic and thermal transport properties. In this review, emphasis is placed on bulk-type nanostructuredBi2Te3-based TE materials. Nanostructuring technologies for enhanced TE performance are summarized, and a few importantstrategies are presented.

Key words : Thermoelectric, Bi2Te3, Nanostructuring, Raw materials

1. 서 론

소재의 양단에 온도차를 유발하면 고온부로부터 저온

부로 전자 혹은 홀이 이동함에 의해 기전력을 발행하는

특성의 소재를 열전소재(thermoelectric materials)라 하며, 열

전소재를 이용하면 고체상태의 소재를 통하여 열과 전기

를 가역적으로 변환할 수 있다. 이러한 열전기술은 소재

에 전기를 공급하여 냉각하는 열전냉각(thermoelectric

cooling) 및 소재 양단의 온도차로부터 전기를 생산하는

열전발전(thermoelectric power generation) 분야에 응용이

가능하다. 열전냉각 기술은 냉매를 사용하지 않으므로 소

음과 진동이 적고, 정밀한 온도제어가 가능하며, 고밀도

냉각이 가능한 장점으로 냉난방 시트(climate control seat),

와인셀러(wine cellar) 등 소형 냉각 장치와 반도체 냉각

(chip cooling 등) 등에 응용이 되고 있다. 한편, 열전발전

은 자동차의 폐열로부터 전기를 생산하여 연비를 증대할

수 있는 기술로의 가능성이 검증되어 차량용 열전발전 시

스템 개발이 활발히 진행되고 있다. 열전기술의 구동 소

자는 열전모듈(thermoelectric module)이며, 절연기판, 전극,

열전소재가 직렬로 연결된 간단한 구조로 동작하므로 열

전냉각 및 열전발전의 효율이 열전소재의 성능에 의해 결

정되는 소재 의존성이 매우 큰 기술 중 하나이다.

열전소재의 성능은 성능지수 ZT로 나타내며, 다음 식

(1)과 같이 정의된다.

ZT = σ × S2× T / k (1)

이 식에서 σ는 전기전도도(electrical conductivity), S는

제벡계수(Seebeck coefficient), T는 절대온도이며, k는 열

전도도(thermal conductivity)이다. 전기전도도와 제벡계수

의 제곱을 곱한 값을 파워팩터(power factor)라 하며, 열전

†Corresponding author : Soon-Mok Choi

E-mail : smchoi@koreatech.ac.kr

Tel : +82-41-560-1327 Fax : +82-41-560-1224

Review

2 이규형 · 김종영 · 최순목

한국세라믹학회지

도도는 전자/홀에 의한 전자열전도도(electronic thermal

conductivity)와 포논(phonon)에 의한 격자열전도도(lattice

thermal conductivity)의 합이다. 식 (1)에서 알 수 있듯이,

열전소재의 성능 ZT를 증대하기 위해서는 파워팩터를 크

게 하거나 열전도도를 작게 하면 되지만, 이를 위해서는

2가지 물리적인 제한요소를 해결해야 한다. 첫째는 전기

전도도와 제벡계수가 전하밀도(carrier concentration)에 따

라 트레이드오프(trade-off) 관계를 나타내어 특정 전하밀

도에서 파워팩터가 예측 가능한 최대값으로 제한되는 것

이다(Fig. 1(a)). 둘째는 열전도도 저감에 의해 ZT를 증대

하기 위해서는 격자열전도도만을 감소해야 한다는 것이

다(전자열전도도 감소로도 열전도도를 저감하는 것이 가

능하지만 이는 전자/홀의 이동을 제한하는 것이므로 전기

전도도가 동시에 감소되어 ZT를 증대할 수 없다.). 따라

서 열전도도 저감에 의해 ZT를 증대하기 위해서는 전자

와 포논의 움직임을 독립적으로 제어해야 하는 어려움이

있다. 격자열전도도만을 감소하기 위한 기술을 PGEC

(Phonon Glass Electron Crystal)이라 하며,1)

이는 전자/홀

의 움직임은 자유롭게 유지하면서 포논의 움직임만을 제

어한다는 의미이다(Fig. 1(b)).

Bi2Te3계 열전소재는 상온부근에서 높은 열전성능을 나

타내며, 냉난방 시트 등에 적용되고 있는 상용소재이다.

Bi2Te3계 열전소재는 Bi 자리에 Sb를 치환하여 p형 특성,

Te 자리에 Se를 치환하여 n형 특성의 소재를 제조할 수

있으며, ZT는 p형과 n형 소재 모두 상온에서 약 ZT = 1.0

의 성능을 나타낸다. Bi2Te3계 열전소재의 ZT 증대를 위

해서는 2가지 전략이 가능하다. 첫째는 포논의 국소화

(localization)를 유발하여 격자열전도도를 저감하는 방법

이며, 둘째는 페르미 준위(Fermi level) 부근에서 전자상태

밀도(DOS, density of states)를 변형하는 방법이다. 전자상

태밀도의 변형은 제벡계수를 증가하여 파워팩터를 증대

하는 효과를 구현할 수 있다. 격자열전도도 저감 및 파워

팩터 증대를 위한 소재기술로 나노구조화(nanostructuring)

는 Bi2Te3계, PbTe계 및 SiGe계 등의 상용 열전소재의 성

능을 증대할 수 있는 기술로 주목을 받고 있다. 나노구조

화에 의해 소재 내에 생성된 입계(grain-boundary) 등의 계

면(interface)은 전기전도도의 큰 감소 없이 포논을 효과적

으로 산란하여 격자열전도도를 감소할 수 있다.1-3)

이러

한 격자열전도도 저감 효과는 박막4)

(thin film) 및 나노복

합체형 벌크5-7)

(nanocomposite bulk) 등에서 실험적으로 증

명되었다. 나노구조화는 또한 캐리어 필터링(carrier filtering)

효과를 유발하여 파워팩터를 증대할 수 있다.7-9)

최근 이

러한 나노구조화 기술을 Bi2Te3계 열전소재에 적용하여

ZT가 크게 증대된 소재가 개발되고 있다. 본 논문에서는

벌크형 소재에서 높은 ZT를 발현하는 p형 Bi2Te3계 열전

소재에 대한 결과를 중심으로 이와 관련된 최신 나노구

조화 기술에 대해 고찰하고자 한다.

2. Bi2Te3계 벌크형 나노구조화 소재

Fig. 2에 벌크형 나노구조화 열전소재 개발 전략을 도

식적으로 나타내었다. 첫째는 나노크기 그레인 구조의 소

재(나노그레인 복합체, nanograined composite)를 제조하는

것이다(Fig. 2(a)). 나노그레인 복합체에 존재하는 고밀도

의 입계는 효과적으로 포논 산란(phonon scattering)을 유

발할 수 있으며, 수 많은 연구 결과에서 그 효과가 입증되

고 있다.5-7,10-29)

나노그레인 복합체 제조를 위해 수 -

수십 nm 크기의 Bi2Te3계 열전소재 나노분체를 제조하고 입

자성장이 거의 없는 소결체를 제조하는 공정기술이 개발되

었다. 나노분체는 화학적 방법, 볼 밀링(ball milling) 및 멜

트 스피닝(melt spinning) 등의 방법으로 제조할 수 있고, 나

노그레인 구조의 소결체는 핫 프레싱(hot pressing) 및 방

Fig. 1. Schematic illustrations of (a) trade-off relation between

electrical conductivity (σ) and Seebeck coefficient (S)

as a function of the carrier density. (b) Concept of

phonon glass electron crystal.

Fig. 2. Strategies for bulk form nanostructured thermoelectric

materials: (a) nanograined composite, (b) nanoinclu-

sion composite, and (c) grainboundary engineered

bulk.

Bi-Te계 열전소재 연구 동향 3

제52권 제1호(2015)

전 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 기술에 의해 구

현 가능하다. 이러한 나노그레인 복합체를 통하여 격자열

전도도를 50% 이상 감소함에 의해 상온에서 최대 1.5 수

준의 ZT가 구현 되었다.6) 또 다른 나노구조화 전략은

Bi2Te3계 열전소재 매트릭스(matrix)에 제 2상으로 고밀도

의 나노상을 도입한 나노게재물(nanoinclusion) 복합체이

다(Fig. 2(b)). 매트릭스와 나노상 간의 상간 계면(phase

boundary)을 형성하기 위한 나노게재물의 도입방법은 (1)

석출(precipitation)이나 분상(decomposition) 등의 고상 상

변태(solid-state phase transformation)를 이용하는 방법, (2)

나노입자를 열전소재 분체와 혼합하는 방법, 그리고 (3)

나노크기의 복합구조(heterostructure) 분체를 제조하는 방

법이 있다. PbTe계 열전소재에서는 스피노달 분해(spinodal

decomposition) 등의 방법으로 (1)에 의한 나노게재물 복

합체 연구가 진행되고 있다.30-37)

이러한 방법은 매트릭스

에 삽입(embedding)된 형태의 나노게재물을 형성하며 그

분포가 비교적 균일한 장점이 있으나, 상형성 거동 특성

상 Bi2Te3계 열전소재에는 적용하기 어렵다. 방법 (2)는

간단한 혼합공정만으로 제조가 가능한 방법이나, 나노입

자의 응집과 불균일한 분포로 전기전도도의 저하를 유발

하여 ZT 증대가 20% 수준으로 제한적으로,38-42)

PGEC이

구현 가능한 미세구조 형성을 위해 새로운 혼합공정 기

술이 요구되고 있다. 방법 (3)은 Bi2Te3계 나노게재물 복

합체를 제조하기 위한 가장 유력한 전략 중 하나이다. 이

와 관련하여 최근 Bi2Te3와 카본나노튜브 (CNT)의 복합

분체 제조를 위한 새로운 기술이 개발되었다.43)

분자 수

준에서의 혼합 공정을 통하여 매우 균일하게 분산된 형

태로 CNT가 결합된 Bi2Te3 복합분체를 제조하였고, 나노

구조를 유지한 소결체를 제조하여 Bi2Te3 대비 1.6배 높

은 ZT를 구현하였다. 격자열전도도 저감 이외에도 나노

게재물 복합체를 통하여 제벡계수를 증대하는 것이 가능

하다. 제벡계수는 Mott 관계식에 의해 다음 식 (2)와 같

이 정의된다.44)

(2)

식 (2)에서 kB는 볼츠만(Boltzman) 상수, N(E)는 energy

derivative of the electronic DOS, t(E)는 캐리어의 완화시

간(relaxation time)이며, 제벡계수가 캐리어 필터링 효과에

의해 증대될 수 있음을 나타낸다. 캐리어 필터링 효과는

열전소재 매트릭스와 나노게재물의 계면에서의 에너지띠

의 굽음(band bending) 현상에 의해 유발되는 캐리어 완화

시간의 변화이며 에너지띠 굽음의 정도와 계면밀도를 제어

하여 제벡계수를 증대할 수 있는 메커니즘이다.45,46)

최근

Bi2Te3계 소재에서도 그 효과가 실험적으로 구현되었다

.8,9,47)

Fig. 3(a)에 나타낸 바와 같이 Te 나노입자를 도입

한 Bi0.5Sb1.5Te3 박막소재에서 캐리어 필터링 효과에 의

해 제벡계수가 증대된 결과를 도출하였다(Fig. 3(b)).

Fig. 3(b)에서 알 수 있듯이 15 nm의 Te 나노입자를 15

vol% 도입하여 제벡계수를 약 25% 증대하였다.8)

이러한

효과는 벌크형 소재에서도 구현되었다. Bi0.5Sb1.5Te3 매트

릭스와 에너지띠 굽음 현상을 유발할 수 있을 것으로 예

측된 Co, Zn, Mn, Pd, Ni, Tb, Mo 등의 금속 나노입자

를 도입하였고, Fig. 4(a)에 나타낸 바와 같이 300 K에서

파워팩터를 Bi0.5Sb1.5Te3와 비교하여 최대 25% 증대하였

다.47)

나노입자는 또한 포논산란을 유발하여 격자열전도

도 저감에도 효과가 있는 것으로 확인되었다(Fig. 4(b)).

이와 같은 결과로부터 나노게재물의 종류와 크기 분포 등

을 제어하면 제벡계수를 증대함과 동시에 격자열전도도

를 저감하는 효과적인 전략이 될 수 있을 것으로 생각된

다. 한편, Bi2Te3와 Bi2Se3 나노 플레이크(nanoflake)를 각

각 제조하고 이를 용액에 분산된 상태에서 혼합하여 Bi2Te3

Sπ2

kB

2

T

3e--------------

dlnN(E)

dE-------------------

dlnτ E( )v E( )2

dE--------------------------------+⎝ ⎠

⎛ ⎞E E

F=

=

Fig. 3. (a) Schematic illustration of the alternate deposition of

Te nanoparticles and Bi0.5Sb1.5Te3 layers. (b) Seebeck

coefficient as a function of the carrier concentration at

room temperature for nanoinclusion-free Bi0.5Sb1.5Te3films and Te-nanoparticle embedded samples.

8)

4 이규형 · 김종영 · 최순목

한국세라믹학회지

와 Bi2Se3의 복합분체를 제조하는 방법도 개발 되었다.7)

이러한 복합분체로부터 제조한 소결체는 Figs. 5(a) - (c)에

나타낸 바와 같이 나노그레인 구조를 형성함과 동시에 캐

리어 필터링 효과를 유발하는 Bi2Te3와 Bi2Se3의 계면을

포함하고 있다. 따라서 입계 포논산란에 의한 격자열전도

도 저감과 Fig. 5(d)에 도식화한 캐리어 필터링 효과에 의

한 제벡계수의 증대를 동시에 구현할 수 있는 유력한 전

략이 될 것이다.

그러나 이상의 나노구조화 전략을 적용한 벌크형 열전

소재는 미세구조의 불균일 등의 원인으로 전기전도도의

저하가 발생할 수 있다. 따라서 전기전도도의 저하를 최

소화 할 수 있는 방법으로 그레인 크기는 수백 nm -수

µm로 유지하면서 입계의 구조만을 변화하는 입계제어 전

략이 매우 효과적으로 생각된다(Fig. 2(c)). 한가지 유력한

방법은 미스핏 전위(misfit dislocation)와 같은 결함을 입

계에 형성하는 것이다. 이 경우 전위 core에 의한 포논산

란과 전위 주위로 형성되는 응력장(strain field)에 의한 포

논산란 효과로 격자열전도도 저감효과가 극대화 될 수 있

을 것으로 기대된다.

3. Bi2Te3계 벌크형 나노구조화 소재

제조를 위한 공정기술

나노구조화에 의한 열전성능 증대를 위해 수 -수십 nm

Fig. 4. (a) Temperature dependence of the power factor for

various nanometal-decorated Bi0.5Sb1.5Te3 nanocom-

posites (metal loading of 0.2 wt%). (b) Temperature

dependence of the thermal conductivity for various

nanometal-decorated Bi0.5Sb1.5Te3 nanocomposites (metal

loading of 0.2 wt%).47)

The inset shows the behavior

of the lattice thermal conductivity depending on

temperature.

Fig. 5. (a) Cross section STEM image of the sintered 85Bi2Te3(BT)-15Bi2Se3 (BS) nanocomposites. (b,c) STEM

elemental mapping obtained from a dashed rectangle

in panel (a). (d) Band alignment at the interface

between the BT and BS.7)

Bi-Te계 열전소재 연구 동향 5

제52권 제1호(2015)

크기의 Bi2Te3계 열전소재를 제조하는 공정기술 개발이

진행되고 있다. 나노분체 제조를 위한 버텀업(bottom-up)

공정으로는 용매열합성법(solvothermal method)과 습식 화

학반응법(wet-chemical reaction) 등이 개발되었고, 탑다운

(top-down) 공정으로는 고 에너지 볼 밀링, 멜트 스피닝

및 spark erosion 공정 등이 개발되었다.

용액 기반의 버텀업 공정은 매우 균일하게 제어된 크

기와 형상의 나노분체 제조가 가능하다는 장점이 있다.

따라서 버텀업 공정으로 제조한 나노분체를 이용한 소결

체에서는 매우 낮은 격자열전도도가 구현되고 있으며, 앞

장에서 언급한 바와 같이 나노입자의 혼합에 의한 복합

구조 제조로 캐리어 필터링 효과에 의한 제벡계수의 증

대 또한 구현할 수 있다. 그러나 제조 공정 중에 발생하

는 입자 표면의 산화, 잔류 유기물 등의 문제로 전기전도

특성이 저하되어 ZT = 0.6 수준의 낮은 열전성능을 나타

내었다. 최근 계면활성제를 사용하지 않는 합성 기술7)

및

마이크로파를 이용한 습식 합성법(microwave-stimulated

wet-chemical synthesis)의 개발로 이러한 문제가 크게 개

선되어 ZT = 1.1의 고효율 소재가 개발 되었다.23)

대표적인 탑다운 공정인 볼 밀링은 분체의 크기를 감

소할 수 있는 매우 효과적인 공정이다. 고 에너지 볼 밀

링을 이용하여 Bi2Te3계 열전소재 분체의 크기를 수 nm

수준으로 분쇄하는 기술이 개발 되었다.5)

고 에너지 볼

밀링은 나노분체 제조 뿐 아니라 열전소재 분체와 이종

의 나노입자를 혼합한 복합분체의 제조에도 이용할 수 있

다. 그러나 단순한 혼합공정만으로는 PGEC 구현에 필요

한 잘 제어된 미세구조를 구현하는 것이 어려워 새로운

공정기술 개발이 필요하다. 금속 나노입자 decoration 기

술의 접목은 불균일한 나노구조를 개선할 수 있는 매우

효과적인 방법이 될 수 있다. 예를 들어 고 에너지 볼 밀

링을 이용하여 Bi0.5Sb1.5Te3 분체와 금속 아세테이트

(acetate) 분체를 혼합하면 Fig. 6(a)와 같이 금속 나노입자

가 잘 분산된 형태로 Bi0.5Sb1.5Te3 분체표면에 결합된 하

이브리드형 분체를 제조할 수 있고, 방전 플라즈마 소결

등의 고속 소결공정을 이용하여 소결하면 Fig. 6(b)와 같

이 Ag 나노입자가 입계에 존재하는 나노게재물 복합체

제조가 가능하다.9)

또 다른 탑다운 공정인 멜트 스피닝은

급속 응고(rapid solidification)에 의해 비정질의 합금을 제

조하는데 주로 이용되는 공정이다. 최근 멜트 스피닝은

나노구조 열전소재 제조를 위한 핵심 기술로 부각되고 있

다. 융액상태의 합금원료를 고속으로 회전하는 Cu 휠

(wheel)에 분사함에 의해 리본형태의 소재를 제조하며,

Bi2Te3계 열전소재의 경우에는 고밀도의 나노결정을 포함

하는 리본이 제조된다. 리본을 분쇄하여 분체화 하고 방

전 플라즈마 소결을 이용한 소결체 제조로 나노결정이 매

트릭스에 삽입된 구조를 형성하여 p형 Bi0.52Sb1.48Te3 소재

에서 ZT = 1.5 이상의 매우 높은 열전성능이 구현되었다.

Fig. 7(a)과 7(b)에 각각 멜트 스피닝으로 제조한 Bi0.5

Sb1.5Te3 리본의 사진과 미세구조를 나타내었다. 두께 5 -

10 µm, 폭 1.5 - 2 mm, 길이 2 - 10 mm의 리본을 제조할 수

있고(inset of Fig. 7(a)), Cu 휠과 접촉한 부분인 접촉 표

면(contact surface)에는 빠른 냉각속도로 인하여 나노 그

레인이 형성되며(Fig. 7(b)), inset의 확대한 이미지에서 알

수 있듯이 평균 150 nm 크기로 확인되었다. 반대편 비접

촉 표면(free surface)에서는 약 500 nm 두께의 dendritic-

lamellar 구조가 형성된다(Fig. 7(a)). 이러한 구조적 특징

은 멜트 스피닝으로 앞장에서 언급한 계면제어 소재 원

료를 제조할 수 있음을 나타낸다. 열전소재 원료와 적당

한 금속 또는 합금을 혼합한 원료로부터 열전소재와 공

융 조성 혼합물(eutectic mixture)이 고밀도의 계면을 형성

하고 있는 복합구조 원료가 제조된다. 열처리에 의해 복

합구조 물질 간의 반응을 조절하면 입계의 상 또는 미세

구조를 제어한 계면제어 소재를 구현할 수 있을 것이며,

이러한 구조는 제벡계수 증대 또는 격자열전도도 저감으

로 ZT를 증대하는 매우 효과적인 전략이 될 것으로 기대

Fig. 6. (a) SEM images of CH3COOAg and Bi0.5Sb1.5Te3mixed powder (for 0.2 wt% Ag). (b) TEM images of

0.2 wt% Ag-decorated Bi0.5Sb1.5Te3 bulk sample.9)

Fig. 7. SEM images of (a) free surface and (b) contact

surface of melt spun Bi0.5Sb1.5Te3 ribbon. Inset of (a)

shows the photo of melt spun Bi0.5Sb1.5Te3 ribbon.

6 이규형 · 김종영 · 최순목

한국세라믹학회지

된다. Spark erosion 공정도 Bi2Te3계 열전소재 나노분체를

제조하는데 이용할 수 있다. Fig. 8(a)에 spark erosion 공

정에 대한 모식도를 나타내었다. 열전소재 원료로 제조한

두 개의 전극 사이에 전계를 가하여 원료를 휘발하고 휘

발된 원료를 액체질소, 액체알곤 등의 유전성(dielectric)

액체 내에서 급냉함에 의해 나노크기의 분체를 제조할 수

있다. Fig. 8(b)에 spark erosion 공정으로 제조한 Bi0.5Sb1.5

Te3 분체의 미세구조 사진을 나타내었다. 평균 20 nm 크

기의 분체가 제조되었고, 방전 플라즈마 소결법을 이용하

여 소결하면 Fig. 8(c)에 나타낸 미세구조와 같이 30 nm

이하의 나노그레인 복합체를 제조할 수 있다. 이 나노그

레인 복합체는 360 K에서 ZT = 1.36의 높은 열전성능을

나타내었다.22)

Spark erosion은 나노분체를 합성하는 속도

가 빠르고 소재의 조성, 미세구조 및 성능 재현성이 우수

하여 향후 열전소재 나노분체 제조 양산 공정기술로 이

용될 가능성이 있다.

나노구조 분체에서의 미세구조를 소결체에서 유지하기

위해서는 상온에서 성형 후 압력이 없는 상태에서 소결

을 진행하는 방법이 용이하다. 그러나 이러한 방법으로

제조한 소결체는 상대밀도가 90% 이하로 열전소재의 경

우 전기전도 특성 및 기계적 특성에 현저한 저하를 유발

한다. 나노구조 소결체를 제조하는 열처리 공정으로는 앞

장에서 이미 언급한 핫 프레싱과 방전 플라즈마 소결이

있다. 핫 프레싱은 소결체 제조 시 열과 일축방향의 압력

을 동시에 인가하여 고밀도의 벌크를 제조하는 방법이다.

Bi2Te3계 열전소재의 경우 98% 이상의 매우 높은 상대밀

도를 얻을 수 있다. 방전 플라즈마 소결은 일축방향의 압

력을 인가하는 것은 핫 프레싱과 동일하나, 펄스 직류

(pulsed DC current)를 그라파이트 재질의 몰도에 직접 인

가함에 의해 소결체를 제조하는 방법이다. 그라파이트 몰

드 만이 가열되므로 매우 빠른 승온속도와 냉각속도를 구

현할 수 있다. 이러한 방전 플라즈마 소결법은 짧은 시간

에 소결을 완료할 수 있어 소결 중에 입자성정을 최소화

할 수 있다.

4. 결 론

본 논문에서는 Bi2Te3계 열전소재 제조를 위한 최신 나

노구조화 공정기술에 대해 고찰하였다. 나노구조화는 격

자열전도도를 저감함과 동시에 제벡계수를 증대하여 열

전성능을 향상할 수 있는 가장 효과적인 방법 중 하나이

며, 다양한 공정 기술이 적용되어 우수한 성능의 벌크형

Bi2Te3계 열전소재가 개발되고 있다. 그러나 가정용 냉장

고, 에어컨과 같은 범용 냉각기기 및 차량용 열전발전 등

으로 응용범위를 확대하기 위해서는 ZT = 2 이상의 혁신

적인 소재 개발이 필요하다. 이는 벌크형 소재에서 나노

구조를 정밀하게 제어하는 소재 제조 기술과 전자상태밀

도를 제어하여 파워팩터를 증대하기 위한 소재 디자인 전

략 확보로 가능할 것으로 기대된다.

Acknowledgments

This study was supported by 2014 Research Grant from

Kangwon National University. This work was supported by

a Fundamental Research and Development Program for Core

Technology of Materials Grant funded by the Ministry

of Trade, Industry and Energy, Republic of Korea (10048035).

This work was also supported by a research program funded

by Koreatech.

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