나노구조를 기반으로 하는 Bi2Te3 소결과 그 시간에 따른 열전 특성

Abstract

비스무스 텔루라이드 (Bismuth telluride, Bi2Te3)는 가장 잘 알려진 상업용 열전도 물질로 벌크 형태로 존재하며 주위 온도에서 냉각과 발전기에 사용된다. 그러나 1에 가까운 무한한 성능지수 (figure of merit, ZT)를 가져 대규모의 산업적 응용에는 한계를 가지고 있다. 최근 연구에서는 나노구조학에 새로운 압밀 기술을 활용한 첨단 합성 공정을 도입하여, 재료의 형태를 벌크로 유지시켜 주면서 ZT는 향상시킬 수 있다는 결과가 있었다. 본 논문에서는 화학적 합성법을 통하여 제작된 벌크 나노구조의 도핑되지 않은 Bi2Te3를 제작하였다. 나노구조를 보존시키면서 97% 이상의 고밀도를 얻기 위해 방전 플라스마 소결 (Spark plasma sintering, SPS)이 Bi2Te3 나노분말의 압축과 소결 공정에 도입되었다. 최종 압축물의 평균 입도는 전자현미경으로 90+-5 nm임을 확인하였다. 이동물성에 대한 평가는 제벡계수와 전기전도율이 최신 기술로 진행된 연구보다 향상된 결과를 보였는데 특별히 저온에서 두드러진 양상을 보였다. 나노구조를 기반으로 하는 도핑되지 않은 벌크형태의 Bi2Te3에서 ZT 값은 340 K에서 최고값 ~1.1을 달성하였다.