Ag 첨가가 Ca3Co4O9 와 Sr이 도핑된 Ca3Co4O9의 고온 열전특성에 미치는 영향 연구

Abstract

열전재료는 재료 양단의 온도 차이가 생길 때 기전력이 발생하는 Seebeck 효과를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 친환경 소재이다. 과거에는 우주산업, 특수 분야 등에서만 사용 되어 왔으나 최근에는 자동차 산업, 체열, 폐열 및 지열 등을 이용한 발전 등 다양한 분야에서 응용하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 자동차 분야에서 연료가 연소 되면서 발생하는 에너지 중 25% 를 제외한 대부분을 열에너지로 빠져나가고 있어 이를 열전재료를 이용하여 약 5%의 효율 향상을 이뤄내고자 많은 연구가 진행되고 있다. 엔진부터 배기까지 발생하는 온도는 150℃~1000℃까지 다양하다. 현재는 600℃ 영역까지 사용을 하고 있지만 그 이상의 고온영역에서 열전재료를 사용하기 위해서는 고온에서 안정한 열전재료의 개발이 필요하다. 산화물 열전재료인Ca3Co4O9의 경우 비산화물 열전재료에 비하여 고온에서의 안정성, 저렴한 원료비용, 독성이 적은 점 등의 장점을 가지고 있지만, Bi2Te3등과 같은 금속재료들에 비하여 에너지 변환 효율이 높지 않다. 따라서 산화물 열전재료의 에너지 변환 효율을 높일 수 있는 기술이 개발 된다면 고온 폐열을 이용한 열전 발전에 이용 될 것이라고 기대되고 있다. 열전 성능을 나타내는 척도로는 성능 지수(ZT, Figure of Merit)가 이용되며, 로 표현된다. S는 제벡 계수, σ는 전기전도도, κ는 열전도도를 의미한다. 따라서 열전 성능 지수 ZT를 높이기 위해서는 전기전도도는 높으면서 열전도도는 낮은 재료의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 나노 크기의 Ag 입자들이 Ca3Co4O9와 열전 특성에 미치는 영향을 확인하고자 하였다. 또한 기존에 비전도층의 Ca이온을 Sr 이온으로 부분 치환하여 전기전도도를 향상시킨 Ca3Co4O9 에 나노크기의 Ag입자들을 첨가하여 열전 특성에 미치는 영향도 추가적으로 확인하였다. 먼저100nm이하의 크기를 갖는 Ag 분말을 Ca3Co4O9 에 0~8wt% 첨가 한 후 혼합 후에 소결하였다. 나노 크기의Ag 분말이 Ca3Co4O9와 Sr-doped Ca3Co4O9 입계들을 전기적으로 연결하는 역할을 하면서 소결 과정 중 입자 성장이 일어나는 것을 방지하기 위해 통전활성 소결법(Spark Plasma Sintering)을 이용하였다. 제조 된 시편은 XRD를 이용하여 상 분석하였고, SEM과TEM을 통하여 미세구조를 확인하였다. 또한 제벡 계수, 전기전도도, 열전도도를 측정한 값을 바탕으로Ag 첨가에 따른 Ca3Co4O9/Ag 와 Sr-doped Ca3Co4O9/Ag 의 열전 특성 변화를 분석하였다.