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

Thermoelectric;Cobaltite;Ca3Co4O9;Ag;Composite;Figure of merit;SPS;620

공과대학 재료공학부 ;

University:서울대학교 대학원

关键词: Thermoelectric;    Cobaltite;    Ca3Co4O9;    Ag;    Composite;    Figure of merit;    SPS;    620;   

Others  :  http://s-space.snu.ac.kr/bitstream/10371/123304/1/000000018386.pdf

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来源: Seoul National University Open Repository

【 摘 要 】

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.