벌크 나노 복합체형 열전재료, 나노 복합체형 열전재료 분체 및 그 제조방법
Bulk nanocomposite thermoelectric materials, nanocomposite thermoelectric materials powder and method for manufacturing the same
특허 요약
본 발명의 일 측면에 따라서, 복수의 열전 소재의 그레인; 및 상기 열전 소재의 그레인 경계의, 상기 열전 소재의 용융점보다 낮은 유리 전이 온도 및 결정화 온도를 갖는 비정질 금속으로부터 결정화된 나노 금속층; 을 포함하는 벌크 나노 복합체형 열전 재료를 개시한다. 열전 소재 그레인의 경계에 금속 나노층을 도입함으로써 양자 구속 효과 및 PGEC 개념을 벌크 소재에서 구현하여 높은 열전 성능을 갖는 열전 재료 분체 및 벌크 열전 재료를 형성할 수 있다.
청구항
번호청구항
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제1 항에 있어서, 상기 나노 금속층은 조성식 AaBbCcDdEeFf(상기 A, B, C, D, E, F는 서로 다른 원소임)의 합금으로 이루어지되,상기 A는 Fe 또는 Ni이고, 상기 B는 B, Zr, Nb, Ti 또는 Y이고, 상기 C는 Mo, Mn, Nb, Al, Ta, Zr, Ti 또는 P 이고, 상기 D는 Y, Nb, Al, Si 또는 Sn 이고, 상기 E는 Al, Y, Si 또는 Sn이고, 상기 F는 Si 이고, 상기 a,b,c,d,e,f의 범위는 20≤a≤80, 15≤b≤35, 2≤c≤20, 0≤d≤12, 0≤e≤5, 0≤f≤3, a+b+c+d+e+f=100인 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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제9 항에 있어서, 상기 나노 금속층의 합금의 유리 전이 온도는 420℃ 내지 625℃인 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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제1 항에 있어서, 상기 나노 금속층은 조성식 AaBbCcDdEeFf(상기 A, B, C, D, E, F는 서로 다른 원소임)의 합금으로 이루어지되,상기 A는 Mg, Mn 또는 Ca이고, 상기 B는 Cu, Al, Ni, Gd, Ag, Y, Zn 또는 Mg 이고, 상기 C는 Ni, Gd, Ag, Y, Cu 또는 Mg이고, 상기 D는 Cu, Ni, Ag, Gd, Y, Pd, Co, Zn 또는 C 이고, 상기 E는 Ag, Co 또는 Pd 이고, 상기 F는 Zn 또는 C 이고,상기 a,b,c,d,e,f의 범위는 55≤a≤80, 10≤b≤25, 5≤c≤20, 0≤d≤10, 0≤e≤5, 0≤f≤5, a+b+c+d+e+f=100인 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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제11 항에 있어서, 상기 나노 금속층의 합금의 유리 전이 온도는 100℃ 내지 220℃인 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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복수의 열전 소재의 그레인; 및 상기 열전 소재의 그레인 경계의, 상기 열전 소재의 용융점보다 낮은 유리 전이 온도 및 결정화 온도를 갖는 비정질 금속으로부터 결정화된 나노 금속층; 을 포함하며,상기 나노 금속층은 조성식 AaBbCcDdEeFf(상기 A, B, C, D, E, F는 서로 다른 원소임)의 합금으로 이루어지되, 상기 A는 Al, Cu, Fe, Ni, Mg, Mn, Ca, Ti 또는 Zr 이고, 상기 B는 Y, Ni, Zr, Ti, Gd, Hf, B, Nb, Cu, Al, Ag, Zn, Mg 또는 Be 이고, 상기 C는 Fe, Ce, Sm, Y, Gd, Dy, Er, La, Al, Zr, Ti, Ag, Be, Nb, Ni, Mo, Mn, Ta, P, Y, Cu 또는 Mg 이고, 상기 D는 V, Ti, Co, Ni, Ag, Al, In, Nb, Ta, Y, Nb, Si, Sn, Cu, Gd, Y, Pd, Zn 또는 C 이고, 상기 E는 O, Si, Ni, Sn, Ag, Co, Al, Y, Pd 또는 Be 이고, 상기 F는 Si, Zn, C, Y, Nb 또는 Zr 이고, 상기 a, b, c, d, e 및 f 의 범위는 20≤a≤90, 2≤b≤50, 0≤c≤30, 0≤d≤12, 0≤e≤10, 0≤f≤7, a+b+c+d+e+f=100인, 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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제1 항에 있어서, 상기 열전 소재의 그레인은 1 나노미터 내지 100 마이크로미터의 직경을 갖는 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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제1 항에 있어서, 상기 나노 금속층은 1 나노미터 내지 50 나노미터의 두께를 갖는 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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제1 항에 있어서, 상기 열전 소재는 Bi, Sb, Te 및 Se 중 2종 이상의 원소를 포함하는 Bi-Te계, Pb와 Te를 모두 포함하는 Pb-Te계, Co와 Fe 중 하나의 원소와 Sb를 포함하는 Co-Sb계, Si와 Ge를 모두 포함하는 Si-Ge계 또는 Fe와 Si를 모두 포함하는 Fe-Si계의 물질을 포함하는 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

5

제1 항에 있어서, 상기 나노 금속층은 조성식 AaBbCcDdEeFf(상기 A, B, C, D, E, F는 서로 다른 원소임)의 합금으로 이루어지되, 상기 A는 Al이고, 상기 B는 Y 또는 Ni 이고, 상기 C는 Fe, Ce, Sm, Y, Gd, Dy, Er 또는 La 이고, 상기 D는 V, Ti 또는 Co 이고, 상기 E는 O이고,상기 a,b,c,d,e, f의 범위는 80≤a≤90, 2≤b≤12, 3≤c≤10, 0≤d≤3, 0≤e≤2, f=0, a+b+c+d+e+f=100인 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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제5 항에 있어서, 상기 합금의 유리 전이 온도는 215℃ 내지 290℃인 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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제1 항에 있어서, 상기 나노 금속층은 조성식 AaBbCcDdEeFf(상기 A, B, C, D, E, F는 서로 다른 원소임)의 합금으로 이루어지되, 상기 A는 Cu이고, 상기 B는 Zr, Ti, Y, Gd 또는 Hf이고, 상기 C는 Al, Zr, Ti, Ag, Be, Nb, 또는 Ni 이고, 상기 D는 Ni, Ti, Ag, Al, In, Nb, Ta 또는 Y 이고, 상기 E는 Si, Ni, Sn, Ag 또는 Co 이고, 상기 F는 Si 이고, 상기 a,b,c,d,e,f의 범위는 30≤a≤60, 30≤b≤50, 0≤c≤30, 0≤d≤12, 0≤e≤10, 0≤f≤2, a+b+c+d+e+f=100인 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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제7 항에 있어서, 상기 나노 금속층의 합금의 유리 전이 온도는 240℃ 내지 520℃인 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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제1 항에 있어서, 상기 나노 금속층은 조성식 AaBbCcDdEeFf(상기 A, B, C, D, E, F는 서로 다른 원소임)의 합금으로 이루어지되,상기 A는 Ti 또는 Zr이고, 상기 B는 Cu, Zr 또는 Be 이고, 상기 C는 Ni, Be, Zr 또는 Cu 이고, 상기 D는 Cu, Al, Ni, Sn, Ag, Y 또는 Nb이고, 상기 E는 Ni, Ag, Sn 또는 Be 이고, 상기 F는 Y, Nb 또는 Zr이고, 상기 a,b,c,d,e,f의 범위는 30≤a≤65, 10≤b≤40, 5≤c≤25, 0≤d≤10, 0≤e≤10, 0≤f≤7, a+b+c+d+e+f=100인 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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제13 항에 있어서, 상기 나노 금속층의 합금의 유리 전이 온도는 310℃ 내지 420℃인 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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제1 항에 있어서, 상기 나노 금속층은 2층 이상이고, 각각의 층은 유리전이 온도 및 결정화 온도 중 어느 하나 이상이 다른 비정질 금속으로부터 결정화된 합금으로 이루어진 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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제1 항에 있어서, 상기 나노 금속층은 유리전이 온도 및 결정화 온도 중 어느 하나 이상이 다른 2종 이상의 비정질 금속으로부터 결정화된 합금인 벌크 나노 복합체형 열전 재료.

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열전 소재의 분체; 및 상기 열전 소재의 분체의 표면을 감싸는, 비정질 금속으로 이루어진 나노 금속층; 을 포함하며,상기 나노 금속층은 조성식 AaBbCcDdEeFf(상기 A, B, C, D, E, F는 서로 다른 원소임)의 합금으로 이루어지되, 상기 A는 Al, Cu, Fe, Ni, Mg, Mn, Ca, Ti 또는 Zr 이고, 상기 B는 Y, Ni, Zr, Ti, Gd, Hf, B, Nb, Cu, Al, Ag, Zn, Mg 또는 Be 이고, 상기 C는 Fe, Ce, Sm, Y, Gd, Dy, Er, La, Al, Zr, Ti, Ag, Be, Nb, Ni, Mo, Mn, Ta, P, Y, Cu 또는 Mg 이고, 상기 D는 V, Ti, Co, Ni, Ag, Al, In, Nb, Ta, Y, Nb, Si, Sn, Cu, Gd, Y, Pd, Zn 또는 C 이고, 상기 E는 O, Si, Ni, Sn, Ag, Co, Al, Y, Pd 또는 Be 이고, 상기 F는 Si, Zn, C, Y, Nb 또는 Zr 이고, 상기 a, b, c, d, e 및 f의 범위는 20≤a≤90, 2≤b≤50, 0≤c≤30, 0≤d≤12, 0≤e≤10, 0≤f≤7, a+b+c+d+e+f=100인,나노 복합체형 열전 재료 분체.

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제17 항에 있어서, 상기 열전 소재의 분체는 1 나노미터 내지 100 마이크로미터의 직경을 갖는 나노 복합체형 열전 재료 분체.

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제17 항에 있어서, 상기 열전 소재는 Bi, Sb, Te 및 Se 중 2종 이상의 원소를 포함하는 Bi-Te계, Pb와 Te를 모두 포함하는 Pb-Te계, Co와 Fe 중 하나의 원소와 Sb를 포함하는 Co-Sb계, Si와 Ge를 모두 포함하는 Si-Ge계 또는 Fe와 Si를 모두 포함하는 Fe-Si계의 물질을 포함하는 나노 복합체형 열전 재료 분체.

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삭제

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열전 소재의 분체를 형성하는 단계;상기 열전 소재의 용융점보다 낮은 유리 전이 온도 및 결정화 온도를 갖는 비정질 금속의 분체를 형성하는 단계;상기 열전 소재의 분체 및 상기 비정질 금속의 분체를 혼합하여 혼합 분체를 형성하는 단계;상기 열전 소재의 분체의 표면이 상기 비정질 금속으로 웨팅되도록 상기 혼합 분체를 상기 비정질 금속의 유리 전이 온도에서 1차 열처리하는 단계;상기 열전 소재의 분체의 표면의 상기 비정질 금속이 결정화되도록 상기 1차 열처리된 혼합 분체를 상기 비정질 금속의 결정화 온도 이상에서 2차 열처리하는 단계; 및상기 혼합 분체가 벌크 형태를 갖도록 상기 2차 열처리된 혼합 분체를 상기 열전 소재의 융점 이상의 온도에서 소결하는 단계; 를 포함하며상기 비정질 금속은 조성식 AaBbCcDdEeFf(상기 A, B, C, D, E, F는 서로 다른 원소임)의 합금으로 이루어지되, 상기 A는 Al, Cu, Fe, Ni, Mg, Mn, Ca, Ti 또는 Zr 이고, 상기 B는 Y, Ni, Zr, Ti, Gd, Hf, B, Nb, Cu, Al, Ag, Zn, Mg 또는 Be 이고, 상기 C는 Fe, Ce, Sm, Y, Gd, Dy, Er, La, Al, Zr, Ti, Ag, Be, Nb, Ni, Mo, Mn, Ta, P, Y, Cu 또는 Mg 이고, 상기 D는 V, Ti, Co, Ni, Ag, Al, In, Nb, Ta, Y, Nb, Si, Sn, Cu, Gd, Y, Pd, Zn 또는 C 이고, 상기 E는 O, Si, Ni, Sn, Ag, Co, Al, Y, Pd 또는 Be 이고, 상기 F는 Si, Zn, C, Y, Nb 또는 Zr 이고, 상기 a, b, c, d, e 및 f의 범위는 20≤a≤90, 2≤b≤50, 0≤c≤30, 0≤d≤12, 0≤e≤10, 0≤f≤7, a+b+c+d+e+f=100인,벌크 나노 복합체형 열전 재료의 제조 방법.

22

제21 항에 있어서, 상기 열전 소재의 분체는 1 나노미터 내지 100 마이크로미터의 직경을 갖는 벌크 나노 복합체형 열전 재료의 제조 방법.

23

제21 항에 있어서, 상기 비정질 금속의 분체는 1 나노미터 내지 10 마이크로미터의 직경을 갖는 벌크 나노 복합체형 열전 재료의 제조 방법.

24

제21 항에 있어서, 상기 열전 소재는 Bi, Sb, Te 및 Se 중 2종 이상의 원소를 포함하는 Bi-Te계, Pb와 Te를 모두 포함하는 Pb-Te계, Co와 Fe 중 하나의 원소와 Sb를 포함하는 Co-Sb계, Si와 Ge를 모두 포함하는 Si-Ge계 또는 Fe와 Si를 모두 포함하는 Fe-Si계의 물질을 포함하는 벌크 나노 복합체형 열전 재료의 제조 방법.

25

제21 항에 있어서, 상기 비정질 금속은 조성식 AaBbCcDdEeFf(상기 A, B, C, D, E, F는 서로 다른 원소임)의 합금으로 이루어지되, 상기 A는 Al이고, 상기 B는 Y 또는 Ni 이고, 상기 C는 Fe, Ce, Sm, Y, Gd, Dy, Er 또는 La 이고, 상기 D는 V, Ti 또는 Co 이고, 상기 E는 O이고,상기 a,b,c,d,e,f의 범위는 80≤a≤90, 2≤b≤12, 3≤c≤10, 0≤d≤3, 0≤e≤2, f=0, a+b+c+d+e+f=100인 벌크 나노 복합체형 열전 재료의 제조 방법.

26

제25 항에 있어서, 상기 비정질 금속의 합금의 유리 전이 온도는 215℃ 내지 290℃인 벌크 나노 복합체형 열전 재료의 제조 방법.

27

제21 항에 있어서, 상기 비정질 금속은 조성식 AaBbCcDdEeFf(상기 A, B, C, D, E, F는 서로 다른 원소임)의 합금으로 이루어지되, 상기 A는 Cu이고, 상기 B는 Zr, Ti, Y, Gd 또는 Hf이고, 상기 C는 Al, Zr, Ti, Ag, Be, Nb, 또는 Ni 이고, 상기 D는 Ni, Ti, Ag, Al, In, Nb, Ta 또는 Y 이고, 상기 E는 Si, Ni, Sn, Ag 또는 Co 이고, 상기 F는 Si 이고, 상기 a,b,c,d,e,f의 범위는 30≤a≤60, 30≤b≤50, 0≤c≤30, 0≤d≤12, 0≤e≤10, 0≤f≤2, a+b+c+d+e+f=100인 벌크 나노 복합체형 열전 재료의 제조 방법.

28

제27 항에 있어서, 상기 비정질 금속의 합금의 유리 전이 온도는 240℃ 내지 520℃인 벌크 나노 복합체형 열전 재료의 제조 방법.

29

제21 항에 있어서, 상기 비정질 금속은 조성식 AaBbCcDdEeFf(상기 A, B, C, D, E, F는 서로 다른 원소임)의 합금으로 이루어지되,상기 A는 Fe 또는 Ni이고, 상기 B는 B, Zr, Nb, Ti 또는 Y이고, 상기 C는 Mo, Mn, Nb, Al, Ta, Zr, Ti 또는 P 이고, 상기 D는 Y, Nb, Al, Si 또는 Sn 이고, 상기 E는 Al, Y, Si 또는 Sn이고, 상기 F는 Si 이고, 상기 a,b,c,d,e,f의 범위는 20≤a≤80, 15≤b≤35, 2≤c≤20, 0≤d≤12, 0≤e≤5, 0≤f≤3, a+b+c+d+e+f=100인 벌크 나노 복합체형 열전 재료의 제조 방법.

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제29 항에 있어서, 상기 합금의 유리 전이 온도는 420℃ 내지 625℃인 벌크 나노 복합체형 열전 재료의 제조 방법.

31

제21 항에 있어서, 상기 비정질 금속은 조성식 AaBbCcDdEeFf(상기 A, B, C, D, E, F는 서로 다른 원소임)의 합금으로 이루어지되,상기 A는 Mg, Mn 또는 Ca이고, 상기 B는 Cu, Al, Ni, Gd, Ag, Y, Zn 또는 Mg 이고, 상기 C는 Ni, Gd, Ag, Y, Cu 또는 Mg이고, 상기 D는 Cu, Ni, Ag, Gd, Y, Pd, Co, Zn 또는 C 이고, 상기 E는 Ag, Co 또는 Pd 이고, 상기 F는 Zn 또는 C 이고,상기 a,b,c,d,e,f의 범위는 55≤a≤80, 10≤b≤25, 5≤c≤20, 0≤d≤10, 0≤e≤5, 0≤f≤5, a+b+c+d+e+f=100인 벌크 나노 복합체형 열전 재료의 제조 방법.

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제31 항에 있어서, 상기 비정질 금속의 합금의 유리 전이 온도는 100℃ 내지 220℃인 벌크 나노 복합체형 열전 재료의 제조 방법.

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제21 항에 있어서, 상기 비정질 금속은 조성식 AaBbCcDdEeFf(상기 A, B, C, D, E, F는 서로 다른 원소임)의 합금으로 이루어지되,상기 A는 Ti 또는 Zr이고, 상기 B는 Cu, Zr 또는 Be 이고, 상기 C는 Ni, Be, Zr 또는 Cu 이고, 상기 D는 Cu, Al, Ni, Sn, Ag, Y 또는 Nb이고, 상기 E는 Ni, Ag, Sn 또는 Be 이고, 상기 F는 Y, Nb 또는 Zr이고, 상기 a,b,c,d,e,f의 범위는 30≤a≤65, 10≤b≤40, 5≤c≤25, 0≤d≤10, 0≤e≤10, 0≤f≤7, a+b+c+d+e+f=100인 벌크 나노 복합체형 열전 재료의 제조 방법.

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제33 항에 있어서, 상기 비정질 금속의 합금의 유리 전이 온도는 310℃ 내지 420℃인 벌크 나노 복합체형 열전 재료의 제조 방법.