칼슘-코발트 층상 산화물계 열전반도체의 제조와 물성
Processing and Properties of Calcium Cobaltite Layer Structure Oxide Thermoelectrics
- 주제(키워드) Oxide Thermoelectrics , 코발트 , 열전반도
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 최승철
- 발행년도 2008
- 학위수여년월 2008. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학부
- 본문언어 한국어
초록/요약
본 연구는 다결정 코발트 산화물 중 CaCO₃, Co₃O₄를 출발 물질로 하는 Ca₃Co₂O6 와 Ca₃Co₄O_(9) 를 기본으로 하여 열전 특성 향상을 위해 Ca을 Bi, Sr, La, K로 부분 치환하고, Co를 Mn, Fe, Ni, Cu, Zn로 부분 치환한 다결정 산화물을 제조하고 300 ∼1000K까지의 열전 특성을 분석하였다. 모든 시편의 제조는 다결정의 순도 99.9% 이상의 CaCO₃, Co₃O₄, Bi₂O₃, La2O₃, SrCO₃, K₂CO₃, MnO, Fe₂O₃, NiO, CuO 그리고 ZnO 를 출발물질로 하여 고상법으로 합성하였다. 전기전도도는 4단자법을 사용하였고 Seebeck계수는 정상상태법으로 계산하여 열전 특성을 평가하였다. 그 결과 Ca₃Co2O6 계열에서는 Ca2.8Bi0.2Co2O6가 전기전도도14.6(/Ωcm), Seebeck계수 179.1(㎶/K) 그리고 파워 팩터 43.6(㎼/K2m) 으로 가장 우수한 성능을 나타내었고, Ca₃Co₄O_(6) 계열에서는 Ca_(2.7)Bi_(0.2)Co₄O_(6)가 전기전도도 85.4(/Ωcm), Seebeck 계수 176.2(㎶/K) 그리고 파워팩터 265.2(㎼/K²m)로 가장 높은 열전특성치를 보였다. 둘다 Bi가 Ca site에 치환되어 있다는 공통점이 있으며, 이는 Bi의 치환으로 인한 판상의 미세구조 형성이 전기전도도의 향상을 가져와 전체적으로 특성 향상의 결과를 보였다고 볼 수 있다. 시료 중 가장 특성이 우수했던 Ca2.7Bi0.3Co4O9의 조성을 선택하여 rolling process를 통한 미세구조적인 설계를 시행하였다. 그 결과 twin roller를 통해 간편하게 시료에 고배향성을 부여 할 수 있었으며, 전기전도도가 기존의 고상소결법만 적용한 것보다 123.4(/Ωcm)로 약 1.5배 가량 증가하는 결과를 보였다. 이에 따라 파워팩터는 368.3(μW/mK²)로 상당히 높은 수준으로 향상 되었다. 마지막으로 p형 열전반도체 소재로서는 (Ca_(2.7)Bi_(0.3))Co₄O_(9_를, n형 열전반도체 소재로서는 (ZnO)_(5)In₂O₃, (Zn_(0.98)Al_(0.02))O를 선택하여 열전 모듈을 제조하였다. 이 열전반도체의 성능지수 Z(10-4/K)각각 0.87, 0.19, 0.41정도의 값을 보이고 있다. 제조 된 모듈은 온도차 120K에서 2쌍으로 약 30mV정도의 기전력을 얻을 수 있었다.
more목차
1. 서론 = 1
1.1 연구의 배경 = 1
1.2 연구의 필요성 = 3
1.3 국내외 관련 연구 현황 = 7
2. 이론적 고찰 = 9
2.1 열전 발전의 원리 = 9
2.2 열전 발전 모듈 = 10
2.3 열전 변환 소재 = 11
3. 실험 방법 = 18
3.1 열전 변환 소재 제조 = 18
3.2 X-ray Diffraction Analysis = 21
3.3 미세 구조 관찰 = 21
3.4 열전 물성 측정 = 22
3.5 열전 반도체 모듈의 제작 = 23
3.6 미세구조 설계 - Rolling Process = 24
3.6.1 Powder preparation = 24
3.6.2 Preparation of textured and polycrystalline sample = 24
4. 결과 및 고찰 = 30
4.1 Ca₃Co₂O_(6)와 Ca₃Co₄O_(9) 열전 재료의 열전 특성 = 30
4.2 Ca₃Co₂O_(6) 계열의 열전 재료 = 34
4.2.1 Ca_(3-x)Bi_(x)Co₂O_(6)(x=0.1∼0.3) 계열 = 34
4.2.1.1 Ca_(3-x)Bi_(x)Co₂O_(6)(x=0∼0.3) 계열의 XRD 분석 = 34
4.2.1.2 Ca_(3-x)BiㅊㅊㅊCo₂O_(6) 계열의 열전 특성 = 34
4.2.2 Ca_(3-x)Sr_(x)Co₂O_(6)(x=0.05∼0.3) 계열의 열전 특성 = 40
4.2.3 Ca_(2.8)M_(0.2)Co₂O_(6) (M=Bi, La, Sr and K) 계열의 열전 특성 = 44
4.3 Ca₃Co₄O_(9) 계열의 열전 재료 = 48
4.3.1 Ca_(2.7)M_(0.3)Co₄O_(9)(M=Bi, La, Sr and K) 계열의 열전 특성 = 48
4.3.2 (Ca_(2.7)Bi_(0.3))(Co_(3.7)M_(0.3))O_(9)(M=Mn, Fe, Ni, Cu and Zn) 계열 = 52
4.3.2.1 (Ca_(2.7)Bi_(0.3))(Co_(3.7)M_(0.3))O_(9)(M=Mn, Fe, Ni, Cu and Zn) 계열의 XRD 분석 = 52
4.3.2.2 (Ca_(2.7)Bi_(0.3))(Co_(3.7)M_(0.3))O_(9)(M=Mn, Fe, Ni, Cu and Zn) 계열의 미세구조 관찰 = 52
4.3.2.3 (Ca_(2.7)Bi_(0.3))(Co_(3.7)M_(0.3))O_(9)(M=Mn, Fe, Ni, Cu and Zn) 계열의 열전 특성 = 53
4.4 Ca_(2.7)Bi_(0.3)Co₄O_(9) 열전재료의 Rolling Process를 통한 미세 구조 설계 = 59
4.4.1 Rolling Process를 적용한 Ca_(2.7)Bi_(0.3)Co₄O_(9) 열전재료의 XRD 분석 = 60
4.4.2 Rolling Process를 적용한 Ca_(2.7)Bi_(0.3)Co₄O_(9) 열전재료의 미세구조 관찰 = 60
4.4.3 Rolling Process를 적용한 Ca_(2.7)Bi_(0.3)Co₄O_(9) 열전재료의 열전 특성 = 61
4.5 열전반도체 모듈의 제조 = 68
5. 결론 = 70
Reference = 72
