Cu2Se 및 Cu2Se-카본나노튜브 복합체의 열전특성에 대한 연구

Abstract

고체상태에서 열과 전기사이의 에너지 변환을 가능하게 하는 열전 기술은 폐열을 이용한 발전에서부터 전자 냉각에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 많은 주목을 받아오고 있다. 에너지 변환 효율은 소자를 구성하는 열전재료의 성능에 의해 직접적으로 결정된다. 재료의 열전 성능 지수는 ZT(=, 여기서 S은 제백계수, 는 전기전도도, T는 절대온도, 는 열전도도)로 표시되며 높은 ZT를 가지는 열전재료 개발에 많은 관심을 기울이고 있다. 수많은 화합물 중 Cu2Se는 상대적으로 독성이 없고 풍부한 구성원소와 높은 ZT로 인해 유망한 열전 재료중 하나이다. Cu2Se는 온도가 410K 이상일때 단사정계 -Cu2Se의 저온 상에서 입방정계 -Cu2Se의 고온 상으로 상전이를 한다. Cu2Se는 상대적으로 낮은 온도에서 과량의 도핑 된 p형 반도체이고, 상전이로 인해 비교적 높은 온도에서 이온 전도가 증가한다. 본 연구에서는 -, 및 -Cu2Se의 열전 수송 특성에 대해 관찰하였다. 첫째, 방전 플라즈마 소결법에 의해 제작된 Cl 도핑 -Cu2Se 화합물의 열전 성능을 보고하였다. 전자주개 Cl 도핑을 통해 출력인자의 증가와 격자 열전도도의 감소로 상당히 증가된 ZT를 구현하였다. 또한 열전 수송 특성에 대한 이차상 CuCl의 상세한 역할도 보고하였다. 둘째, 열간 압축 소결법에 의해 제작된 -Cu2Se 복합체의 열전 수송 특성에 대한 MWCNT의 효과에 대해 보고하였다. 복합재료의 MWCNT 네트워킹으로 인해 전기전도도가 향상되어 증가된 출력인자를 구현할 수 있다. MWCNT는 매우 높은 고유 열전도도를 가지기 때문에 응집된 MWCNT는 상대적으로 높은 격자 열전도도를 야기했다. -Cu2Se/MWCNT 복합체에서 높은 ZT를 얻을 수 없었지만, MWCNT가 열전 수송 특성에 미치는 영향에 대한 연구 결과는 높은 ZT를 가지는 MWCNT-hybeid 열전 재료에 대한 추가 연구에 도움이 될 것이다.

Thermoelectric technology, which enables the energy conversion between heat and electricity in a solid state device, has been paid much attention for its various applications from power generation using waste heat to electronic cooling. The energy conversion efficiency is determined directly by the performances of thermoelectric materials constituting the device. Thermoelectric figure of merit of a material is expressed as ZT (= S2σT/κ, where S is Seebeck coefficient, σ is electrical conductivity, T is absolute temperature, and κ is thermal conductivity), and much attention has been paid to developing thermoelectric materials with high ZTs. Among numerous compounds, Cu2Se is regarded as one of promising thermoelectric materials due to its relatively non-toxic and abundant constituting elements and high ZT. Cu2Se undergoes a phase transition from its low-temperature phase of monoclinic α-Cu2Se to the high-temperature phase of cubic β-Cu2Se when the temperature is increased above 410 K. Cu2Se exhibits heavily doped p-type conduction behavior at relatively low temperatures, and ionic conduction becomes significant at relatively high temperatures due to the phase transition. In this work, I report the studies on the thermoelectric transport properties of both the α- and β-Cu2Se. The first part deals with the thermoelectric performance of Cl-doped β-Cu2Se compounds which prepared by spark plasma sintering. Significantly enhanced ZT could be achieved by the anion doping due to the improved power factor and reduced lattice thermal conductivity. Furthermore, the detailed role of CuCl secondary phase on the thermoelectric transport properties is also reported. The second part addresses the effects of the incorporation of multi-walled carbon nanotube (MWCNT) on the thermoelectric transport properties of α-Cu2Se composites which prepared by hot pressing. Enhancement of electrical conductivity could be obtained due to the MWCNT network in the composite, leading to the improvement of power factor. However, non-uniformly distributed MWCNT caused the relatively high lattice thermal conductivity, since MWCNT has very high intrinsic thermal conductivity. Although high ZT could not be achieved in the MWCNT-incorporated α-Cu2Se composites, my findings on the effect of MWCNT on the thermoelectric transport properties will be helpful to further research on the MWCNT-hybrid thermoelectric materials with high ZT.