Fe-Si계 합금의 열전변환특성

배철훈 ( Chul Hoon Pai ),박형진 ( Hyoung Jin Park ) 대한금속재료학회 ( 구 대한금속학회 ) 2006 ELECTRONIC MATERIALS LETTERS Vol.2 No.3

Thermoelectric properties of Fe-Si alloys prepared by a RF inductive furnace were investigated. As sintering temperature of Fe-Si alloys increased, density of the specimen was increased and the phase transformation from metallic phase to semiconducting phase occurred more effectively. The ε-FeSi was detected in spite of 100 hrs annealing treatment. In the case of FeSi(1.95) -FeSi(2.05) specimens, thermoelectric property for nearly stoichiometric composition FeSi2 was good. The Electrical conductivity of the specimen increased with temperature, exhibited the typical semiconducting tendency. The activation energy in the intrinsic region (above about 700K) was approximately 0.46 eV. In spite of non-doping, the Seebeck coefficient for all specimens exhibited p-type conduction due to Si deficiency.

정제 규조토로 합성한 탄화규소의 열전특성

배철훈(Chul-Hoon Pai) 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.4

SiC는 큰 밴드 갭 에너지를 갖고, 불순물 도핑에 의해 p형 및 n형 전도의 제어가 용이해서 고온용 전자부품소재로 활용이 가능한 재료이다. 따라서 국내 부존 규조토의 고부가가치 활용을 위해 정제 규조토로부터 합성한 β-SiC 분말의 열전물성에 대해 조사하였다. 정제한 규조토 중의 SiO₂ 성분을 카본블랙으로 환원 탄화 반응시켜 β-SiC 분말을 합성하고, 잔존하는 불순물(Fe, Ca 등)을 제거하기 위해서 산처리 공정을 행하였다. 분말의 성형체를 질소 분위기 2000℃에서 1~5시간 소결시켜 n형 SiC 반도체를 제작하였다. 소결시간이 길어짐에 따라 캐리어 농도의 증가 및 입자간의 연결성 향상에 의해 도전율이 향상되었다. 합성 및 산처리한 β-SiC 분말에 내재하는 억셉터형 불순물(Al 등)로 인한 캐리어 보상효과가 도전율 향상에 저해하는 요인으로 나타났다. 소결시간이 증가함에 따라 입자 및 결정 성장과 함께 적층 결함 밀도의 감소에 의해 Seebeck 계수의 절대값이 증가하였다. 본 연구에서의 열전 변환 효율을 반영하는 power factor는 상용 고순도 β-SiC 분말로 제작한 다공질 SiC 반도체에 비해 다소 작게 나타났지만, 산처리 공정을 정밀하게 제어하면 열전물성은 보다 향상될 것으로 판단된다. Silicon carbide is considered a potentially useful material for high-temperature electronic devices because of its large band gap energy and p-type or n-type conduction that can be controlled by impurity doping. Accordingly, the thermoelectric properties of -SiC powder prepared by refined diatomite were investigated for high value-added applications of natural diatomite. -SiC powder was synthesized by a carbothermal reduction of the SiO₂ in refined diatomite using carbon black. An acid-treatment process was then performed to eliminate the remaining impurities (Fe, Ca, etc.). n-Type semiconductors were fabricated by sintering the pressed powder at 2000℃ for 1~5h in an N2 atmosphere. The electrical conductivity increased with increasing sintering time, which might be due to an increase in carrier concentration and improvement in grain-to-grain connectivity. The carrier compensation effect caused by the remaining acceptor impurities (Al, etc.) in the obtained -SiC had a deleterious influence on the electrical conductivity. The absolute value of the Seebeck coefficient increased with increasing sintering time, which might be due to a decrease in the stacking fault density accompanied by grain or crystallite growth. On the other hand, the power factor, which reflects the thermoelectric conversion efficiency of the present work, was slightly lower than that of the porous SiC semiconductors fabricated by conventional high-purity -SiC powder, it can be stated that the thermoelectric properties could be improved further by precise control of an acid-treatment process.

규조토 정제 및 탄화규소 분말합성

배철훈(Chul-Hoon Pai) 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.3

국내 부존 청광 규조토의 고부가가치 활용을 위해 물리적인 불순물 정제 및 정제 규조토 중의 SiO2 성분을 규소원으로 한 탄화규소 분말합성에 대해 연구하였다. 청광 규조토를 hammer mill을 이용해서 분쇄한 후 체가름을 통한 입도 분리에의해서 약 30% 정도의 철분 (Fe2O3) 정제 효과를 얻을 수 있었으며, 325 mesh 이하 입도 분말의 철분 함량은 약 2% 이었다. 습식 및 건식 자력선별의 경우 모두 철분 함량의 분리 및 정제 효과가 일부 있었지만 회수되는 비자성 부산물 중의 철분함량이 약 2%로 잔존양이 많음을 알 수 있었다. 청광 원광의 물 침출은 철분 제거에 효과적이었으며, 물 침출 결과 약 40% 정도의 철분이 제거되었다. 또한 정제 규조토 중의 SiO2 성분을 탄소 (흑연, 카본블랙)로 환원 탄화 반응시켜 β-SiC를 합성하였고, 합성 분말의 산처리를 통한 철분 정제 및 비표면적 변화 등에 대해 연구하였다. 환원제로 흑연보다는 카본블랙을 사용함이 보다 효과적이었고, 산처리공정에 의해 Fe, Ca 등의 불순물들이 거의 제거되었고, 비표면적은 52.5 ㎡/g 까지 증가하였다. For high value-added applications of natural blue diatomite, the physical refining process and synthesis of SiC from refined diatomite were investigated. Approximately 30 percent Fe (Fe2O3) in raw blue diatomite was removed by a particle sieve separation process; the Fe composition for 325 mesh down powder was approximately 2 percent. Although a wet and/or dry magnetic separation process had some influence on the separation and/or refining of Fe composition, the Fe composition in the non-magnetic by-product was approximately 2 percent. Water leaching separation was effective in removing the Fe composition; approximately 40 percent of the Fe in raw blue diatomite was removed. The synthesis of β-SiC by a carbothermal reduction of the SiO2 in the refined diatomite using carbon (graphite, carbon black), the effects of an acid-treatment on removing the Fe, and the specific surface area for the synthesized powder were also investigated. The impurities were mostly eliminated and the specific surface area was increased to 52.5 ㎡/g.

Co 첨가 Fe-Si n형 반도체의 전기적 특성

배철훈 ( Chul Hoon Pai ),김정곤 ( Jeung Gon Kim ) 대한금속·재료학회 2009 대한금속·재료학회지 Vol.47 No.12

The effect of Co additive on the electrical properties of Fe-Si alloys prepared by a RF inductive furnace was investigated. The electrical conductivity and Seebeck coefficient were measured as a function of the temperature under an Ar atmosphere to evaluate their applicability to thermoelectric energy conversion. The electrical conductivity of the specimens increased as the temperature increased, showing typical semiconducting behavior. The electrical conductivity of Co-doped specimens was higher than that of undoped specimens and increased slightly as the amount of Co additive increased. This is most likely due to the difference in the carrier concentration and the amount of residual metallic phase ε-FeSi (The ε-FeSi was detected in spite of an annealing treatment of 100 h at 830℃). Additionally, metallic conduction increased slightly as the amount of Co additive increased. On the other hand, Co-doped specimens showed a lower Seebeck coefficient due to the metallic phase. The power factor of Co-doped specimens was higher than that of undoped specimens. This would be affected more by the electrical conductivity compared to the Seebeck coefficient.

반응소결법으로 제조한 n형 β-SiC의 열전특성

배철훈(Chul-Hoon Pai) 한국산학기술학회 2019 한국산학기술학회논문지 Vol.20 No.3

SiC는 큰 에너지 밴드 갭을 갖고, 불순물 도핑에 의해 p형 및 n형 전도의 제어가 용이해서 고온용 전자부품 소재로 활용이 가능한 재료이다. 특히 N2 분위기, 2000℃에서 β-SiC 분말로부터 제조한 다공질 n형 SiC 반도체의 경우, 800~1000℃ 에서의 도전율 값이 단결정 SiC와 비교해서 비슷하거나 오히려 높은 값을 나타내었으며, 반면에 열전도율은 치밀한 SiC 세라믹스와 비교시 1/10∼1/30 정도로 낮은 값을 나타내었다. 본 연구에서는 소결온도를 낮추기 위해 n형 β-SiC에 함침 시킨 polycarbosilane (PCS)의 열분해에 의한 반응소결 공정 (1400~1600℃)으로 다공질 소결체를 제작하였다. 함침 및 소결공정(N2 분위기, 1600℃, 3시간)을 반복함에 따라 상대밀도는 크게 증가하지 않았지만 Seebeck 계수 및 도전율은 크게 증가하였다. 본 연구에서의 열전변환 효율을 반영하는 power factor는 고온에서 상압소결 공정으로 제작한 다공질 SiC 반도체에 비해 1/100~1/10 정도 작게 나타났지만, 미세구조 및 캐리어 밀도를 정밀하게 제어하면, 본 연구에서의 반응소결 공정으로 제작한 SiC 반도체의 열전물성은 크게 향상될 것으로 판단된다. Silicon carbide is considered to be a potentially useful material for high-temperature electronic devices, as its large energy band gap and the p-type and/or n-type conduction can be controlled by impurity doping. Particularly, electric conductivity of porous n-type SiC semiconductors fabricated from β-SiC powder at 2000℃ in N2 atmosphere was comparable to or even larger than the reported values of SiC single crystals in the temperature region of 800℃ to 1000℃, while thermal conductivity was kept as low as 1/10 to 1/30 of that for a dense SiC ceramics. In this work, for the purpose of decreasing sintering temperature, it was attempted to fabricate porous reaction-sintered bodies at low temperatures (1400-1600℃) by thermal decomposition of polycarbosilane (PCS) impregnated in n-type β-SiC powder. The repetition of the impregnation and sintering process (N2 atmosphere, 1600℃, 3h) resulted in only a slight increase in the relative density but in a great improvement in the Seebeck coefficient and electrical conductivity. However the power factor which reflects the thermoelectric conversion efficiency of the present work is 1 to 2 orders of magnitude lower than that of the porous SiC semiconductors fabricated by conventional sintering at high temperature, it can be stated that thermoelectric properties of SiC semiconductors fabricated by the present reaction-sintering process could be further improved by precise control of microstructure and carrier density.

다공질 SiC 반도체와 Ag계 합금의 접합

배철훈(Chul-Hoon Pai) 한국산학기술학회 2018 한국산학기술학회논문지 Vol.19 No.3

탄화규소는 실리콘과 비교시 큰 에너지 밴드 갭을 갖고, 불순물 도핑에 의해 p형 및 n형 전도의 제어가 용이해서 고온용 전자부품 소재로 활용이 가능한 재료이다. 특히 β-SiC 분말로부터 제조한 다공질 n형 SiC 세라믹스의 경우, 800~1000℃에서 높은 열전 변환 효율을 나타내었다. SiC 열전 변환 반도체를 응용하기 위해서는 변환 성능지수도 중요하지만 800℃ 이상에서 사용할 수 있는 고온용 금속전극 또한 필수적이다. 일반적으로 세라믹스는 대부분의 보편적인 용접용 금속과는 우수한 젖음을 갖지 못 하지만, 활성 첨가물을 고용시킨 합금의 경우, 계면 화학종들의 변화가 가능해서 젖음과 결합의 정도를 증진시킬 수 있다. 액체가 고체 표면을 적시면 액체-고체간 접합면의 에너지는 고체의 표면에너지 보다 작아지고 그 결과 액체가 고체 표면에서 넓게 퍼지면서 모세 틈새로 침투할 수 있는 구동력을 갖게 된다. 따라서 본 연구에서는 비교적 낮은 융점을 갖는 Ag를 이용해서 다공질 SiC 반도체 / Ag 및 Ag 합금 / SiC 및 알루미나 기판간의 접합에 대해 연구하였고, Ag-20Ti-20Cu 필러 메탈의 경우 SiC 반도체의 고온용 전극으로 적용 가능할 것으로 나타났다. Silicon carbide is considered to be a potentially useful material for high-temperature electronic devices, as its band gap is larger than that of silicon and the p-type and/or n-type conduction can be controlled by impurity doping. Particularly, porous n-type SiC ceramics fabricated from β-SiC powder have been found to show a high thermoelectric conversion efficiency in the temperature region of 800℃ to 1000℃. For the application of SiC thermoelectric semiconductors, their figure of merit is an essential parameter, and high temperature (above 800℃) electrodes constitute an essential element. Generally, ceramics are not wetted by most conventional braze metals,. but alloying them with reactive additives can change their interfacial chemistries and promote both wetting and bonding. If a liquid is to wet a solid surface, the energy of the liquid-solid interface must be less than that of the solid, in which case there will be a driving force for the liquid to spread over the solid surface and to enter the capillary gaps. Consequently, using Ag with a relatively low melting point, the junction of the porous SiC semiconductor-Ag and/or its alloy-SiC and/or alumina substrate was studied. Ag-20Ti-20Cu filler metal showed promise as the high temperature electrode for SiC semiconductors.

고상반응으로 합성한 La(1-x)SrxCoO3의 전기적 특성

배철훈 ( Chul Hoon Pai ),이재희 ( Jae Hee Lee ) 대한금속·재료학회 2007 대한금속·재료학회지 Vol.45 No.3

N형 FeSi2의 열전특성에 미치는 입자크기 및 성형압력의 영향

배철훈(Pai, Chul-Hoon) 한국산학기술학회 2015 한국산학기술학회논문지 Vol.16 No.7

n형 FeSi2의 열전물성에 미치는 입자크기 및 성형압력의 영향에 대해 조사하였다. 입자크기가 다른 출발 분말을 각각 가압성형(성형압력; 70~220 kg/cm2) 하였고, 제작한 성형체를 Ar 분위기 1473 K에서 7시간 소결한 후, 반도체상인 β상 을 얻기 위해 1103 K에서 100시간 소둔처리 하였다. XRD, SEM 및 EDS를 이용해서 시편들의 미세구조 및 상분석을 행하였 다. 동일 시료를 가지고 Ar 분위기 상온~1023 K에서 도전율과 Seebeck 계수를 동시에 측정하였다. 입자크기가 작을수록 소결밀도와 잔존 ε-FeSi 금속전도상 증가에 의해 도전율이 상승하였으며, Seebeck 계수는 700∼800 K에서 최고값을 나타내 었고, 입자크기가 작을수록 잔존 ε-FeSi 금속전도상 증가에 의해 감소하였다. 반면에 성형압력의 변화는 도전율 및 Seebeck 계수에 그다지 큰 영향을 미치지 않았다. 결과적으로 power factor는 성형압력 보다 입자크기에 큰 영향을 받았다. The effect of particle size and compaction pressure on the thermoelectric properties of n-type FeSi2 was investigated. The starting powders with various particle size were pressed into a compact (compaction pressure; 70∼ 220 kg/cm2). The compact specimens were sintered at 1473 K for 7 h and annealed at 1103 K for 100 h under Ar atmosphere to transform to the semiconducting β-phase. The microstructure and phases of the specimens were observed by SEM, XRD and EDS. The electrical conductivity and Seebeck coefficient were measured simultaneously for the same specimen at r.t.∼1023 K in Ar atmosphere. The electrical conductivity increased with decreasing particle size and hence the increases of relative density of the sintered body and the amount of residual metallic phase ε-FeSi due to a increase of the electrical conductivity. The Seebeck coefficient exhibited the maximum value at about 700∼ 800 K and decreased with decreasing particle size. This must be due to a increase of residual metallic phase ε-FeSi. On the other hand, the change of compaction pressure appeared to have little effect on the thermoelectric properties. Consequently, the power factor would be affected more by particle size than compaction pressure.

P형 FeSi₂의 열전물성에 미치는 입자크기 및 첨가물 영향

배철훈(Pai, Chul-Hoon) 한국산학기술학회 2013 한국산학기술학회논문지 Vol.14 No.4

Fe-Si계 합금은 우주탐사용으로 응용되고 있는 Si-Ge합금보다는 낮은 성능지수를 나타내지만 원료가 풍부하여 저가이고, 제조가 간단하며, 800℃까지 사용가능한 중고온용 열전발전재료이다. 본 연구에서는 고주파 진공유도로를 이용 해서 제조한 p형 FeSi₂의 열전물성에 미치는 입자크기 및 첨가물 영향에 대해 조사하였다. 조성입자크기가 작을수록 소결 밀도 증가와 함께 입자와 입자간의 연결성 향상에 의해 도전율이 증가하였다. Seebeck 계수는 600∼800K에서 최고값을 나타내었고, 잔존하는 ε-FeSi 금속전도상에 의해 약간 감소하였다. Fe2O₃ 및 Fe3O₄를 첨가한 경우, 잔존 금속전도상 및 Si 결핍양 증가에 의해 도전율은 증가하였고 Seebeck 계수는 감소하였다. 반면에 SiO₂를 첨가한 경우에는 도전율과 Seebeck 계수 모두 상승하였다. Although Fe-Si based alloy has lower figure of merit than Si-Ge alloy applied for space probe, its low cost related to abundant raw material, rather simple processing, high temperature resistance and reliability up to 800℃ made it one of the most promising middle temperature thermoelectric generation materials. The effect of particle size and additive on the thermoelectric properties of p-FeSi₂ prepared by a RF inductive furnace was investigated. The electrical conductivity increased slightly with decreasing particle size and hence better grain-to-grain connectivity due to the increase of density. The Seebeck coefficient exhibited the maximum value at about 600∼800K and decreased slightly with increasing particle size. This must be due to the amount of residual metallic phase ε-FeSi. Fe2O₃ and/or Fe3O₄-doped specimens showed the higher electrical conductivity and the lower Seebeck coefficient due to increase of the metallic phase and Si-vacancy. On the other hand, SiO₂-doped specimen showed the higher electrical conductivity and the higher Seebeck coefficients.

N형 SiC 반도체의 열전 물성에 미치는 적층 결함의 영향

배철훈(Chul-Hoon Pai) 한국산학기술학회 2021 한국산학기술학회논문지 Vol.22 No.3

n형 SiC 반도체에서 적층 결함이 열전 물성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. β-SiC 분말 성형체를 질소 분위기에서 1600∼2100 ℃, 20∼120분간 열처리해서 30∼42 %의 기공률을 갖는 다공질 SiC 반도체를 제작하였다. X선회절 분석으로 적층 결함량, 격자 스트레인 및 격자 상수를 산출하였고, 미세 구조 분석을 위해서 기공률 및 비표면적 측정과 함께, 주사 전자현미경 (SEM), 투과 전자현미경 (TEM) 및 고분해능 전자현미경 (HREM) 등을 관찰하였다. Ar 분위기 550∼900 ℃에서 도전율과 Seebeck 계수를 측정 및 산출하였다. 열처리 온도가 높을수록, 처리 시간이 길어질수록 캐리어 농도 증가 및 입자와 입자간의 연결성 향상에 의해 도전율이 향상되었다. 도너로 작용하는 질소의 고용으로 Seebeck 계수는 음(-)의 값을 나타내었고, 도전율과 마찬가지로 열처리 온도 및 시간이 상승함에 따라 Seebeck 계수의 절대 값이 증가하였다. 이는 적층 결함의 감소, 즉 입자 및 결정 성장과 함께 적층 결함 밀도의 감소에 의해 포논의 평균자유 행정이 증가해서 결과적으로 포논-드랙 효과에 의한 Seebeck 계수의 향상으로 나타난 것으로 판단된다. This study examined the effects of stacking faults on the thermoelectric properties for n-type SiC semiconductors. Porous SiC semiconductors with 30∼42 % porosity were fabricated by the heat treatment of pressed β-SiC powder compacts at 1600∼2100 ℃ for 20∼120 min in an N2 atmosphere. XRD was performed to examine the stacking faults, lattice strain, and precise lattice parameters of the specimens. The porosity and surface area were analyzed, and SEM, TEM, and HRTEM were carried out to examine the microstructure. The electrical conductivity and the Seebeck coefficient were measured at 550∼900 °C in an Ar atmosphere. The electrical conductivity increased with increasing heat treatment temperature and time, which might be due to an increase in carrier concentration and improvement in grain-to-grain connectivity. The Seebeck coefficients were negative due to nitrogen behaving as a donor, and their absolute values also increased with increasing heat treatment temperature and time. This might be due to a decrease in stacking fault density, i.e., a decrease in stacking fault density accompanied by grain growth and crystallite growth must have increased the phonon mean free path, enhancing the phonon-drag effect, leading to a larger Seebeck coefficient.