TiC 첨가가 Bi0.5Sb1.5Te3 열전 재료의 열전 특성에 미치는 영향

Abstract

열전 재료는 고체 내의 열에너지를 전기에너지로 변환하는 제백 효과 혹은 전기에너지를 열에너지로 변환하는 펠티어 효과를 나타내는 물질을 일컫는다. 재생 가능한 에너지에 대한 요구가 증가함에 따라 열전재료의 개발이 계속되고 있다. 열전재료 중 Bi-Te계 물질은 상온영역에서 가장 상용화된 열전재료이다. p-type Bi-Te계 열전재료 중 Bi0.5Sb1.5Te3은 전기전도도와 제백계수가 높아 가장 많이 사용되고 있다. 재료의 열전 성능을 개선하면 적용범위를 넓힐 수 있기 때문에 열전 효율을 향상시키려는 연구가 진행되고 있다. Bi0.5Sb1.5Te3에 도핑을 하거나 나노 복합체를 형성하여 열전 효율을 향상시키려는 시도가 있었다. 하지만 TiC의 첨가가 Bi0.5Sb1.5Te3의 열전특성에 미치는 영향에 대해 보고한 논문은 없었다. 따라서 본 연구에서는 나노크기의 TiC 첨가가 Bi0.5Sb1.5Te3의 열전특성에 미치는 영향을 조사하였다. TiC를 첨가한 Bi0.5Sb1.5Te3복합체의 열전특성을 조사하기 위해 Bi0.5Sb1.5Te3와 TiC(70 nm) 분말을 ball milling을 이용하여 혼합하였고 TiC의 입자성장을 막기 위해 단시간에 치밀화가 가능한 통전 활성 소결법 (spak plasma sintering

SPS)을 이용하여 벌크시편을 제조하였다. Bi0.5Sb1.5Te3시편과 TiC를 0.5, 1, 1.5, 2 wt % 첨가한 복합체의 열전특성을 비교한 결과 TiC를 첨가할수록 전기전도도가 증가하였는데, 이것은 격자 불일치로 인하여 자유 정공의 수가 증가하기 때문이라고 설명할 수 있다. 반면에 제백계수는 정공의 농도가 증가했음에도 불구하고 증가하는 것이 관찰되었으며, 이것은 carrier filtering effect로 설명 가능하다. 또한 nano 크기의 TiC 첨가가 포논을 산란시키는 역할을 하여 열전도도가 감소한 것이 관찰되었다. 결론적으로 TiC를 1 wt % 첨가한 시편에서 가장 높은 ZT를 나타내었는데 이것은 Bi0.5Sb1.5Te3의 상온 ZT값 대비 48% 증가한 수치이다. TiC 첨가는 Bi0.5Sb1.5Te3의 전기전도도와 제백계수의 증가 및 열전도도의 감소를 유발하였으며 ZT를 이루는 세 가지 인자를 독립적으로 제어할 수 있다는 것을 보여줬다.