SiO2 첨가 Fe-Si계 합금의 열전물성

배철훈 국제차세대융합기술학회 2022 차세대융합기술학회논문지 Vol.6 No.12

The effect of SiO2 addition on the thermoelectric property of Fe-Si alloy was in v es tig ated. The starting Fe-Si alloy pow ders were ob tain ed from in g ots in the compos ition Fe0.95Mn0.05Si2 an d Fe0.97Co0.03Si2 added 0~ 2w t% SiO2, which were prepared in a RF in du ctiv e fu rn ace from Fe, Si, Mn, an d SiO2 pow ders . The various starting pow ders were pressed in to a compact, an d s in tered at 1200℃ for 10h, heat treated at 830℃ for 100h under Ar+ 7 % H 2 atmos phere to tran s form to the s emicon du ctin g β-FeSi2 phas e. The Seeb eck coefficien t an d electrical con du ctiv ity were meas u red for the same s pecimen at 150~700℃ under Ar atmos phere. The Seeb eck coefficien t in creas ed with in creas in g temperatu re, that of Mn-doped FeSi2 ex hib ited the max imu m value at ab ou t 650K an d decreas ed with in creas in g temperatu re. The Seeb eck coefficien t of Co-doped FeSi2 ex hib ited the max imu m value at ab ou t 750K an d decreas ed slightly an d/ or little chan g ed with in creas in g temperatu re. The Seeb eck coefficien t for all s pecimen s in creas ed with in creas in g the amou n t of SiO2 additiv e ex hib ited in s u latin g behavior. On the other han d, electrical con du ctiv ity decreas ed with in creas in g the amou n t of SiO2 additiv e. Amou n t of ε-FeSi ex hib ited metallic con du ction an d micros tru ctu re( den s ity, poros ityb etc. ) were con s iderab ly effectiv e to electrical con du ctiv ity. The max imu m value of pow er factor was the order of 10-5 . 1 4 at ab ov e 800K for p-type FeSi2 added 0.5 wt% SiO2, 10-5 . 0 5 at ab ov e 750K for n-type FeSi2 added 2w t% SiO2. SiO2 첨가가 Fe-Si계 합금의 열전물성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. Fe, Si, Mn(p형 불순물) , Co(n형 불순물) 및 SiO2의 혼합 분말을 고주파 유 도 가열로 를 이용해서 0~2wt% SiO2 첨가 Fe0.97Mn0.05Si2 및Fe0.97Co0.03Si2 in g ot을 제조하였다. Ingot을 분쇄해서 체가름한 분말을 성형하고, Ar+ 7 % H 2 분위기 1200℃에서 10 시간 소결시킨 후 반도성인 β-FeSi2상으로의 상전이를 위해 830℃에서 100시간 열처 리 공정을 행하였다. Ar 분위기 150~700℃에서 동일 시편에 대해 Seeb eck 계수 와 도전율을 측정하였다. 온도 상승과 함께 Seeb eck 계수 가상승하였고, Mn 고용 p형 FeSi2는 650K 부근에서 최고값을 갖고 감소하였으며, Co 고용 n형 FeSi2는 750K 부근을 경계로 점차 감소 또는 유지하는 경향을 나타내었다. 절연성 SiO2의 영향으로 SiO2 첨가량 이 증가함에 따라Seeb eck 계수 가 상승하였다. 반면에 도전율은 SiO2 첨가량 이 증가함에 따라 감소하였으며, 금속 전도 성인 ε-FeSi 상의 잔존량과 함께 밀도 및 기공률 등의 미세구조의 영향도 상당히 크게 기여하였다. Pow er factor는 p형 FeSi2 에서는 SiO2를 0.5wt% 첨가한 시편이 800K 이상에서 10-5 . 1 4 대, n형 FeSi2에서는 2w t% 첨가한 시편이 750K 이상에서 10-5.05대로 가장 큰 값을 나타내었다.

β-FeSi2의 열전환특성에 미치는 분말산화의 영향

배철훈,河本邦仁 한국세라믹학회 2003 한국세라믹학회지 Vol.40 No.11

For the purpose of making clear the role of oxygen in the thermoelectric properties of FeSi2, thermoelectric measurements and spectroscopic characterization were conducted for the oxidized specimens fabricated from (α+ε)-phases and/or β-phase. Addition of oxygen to FeSi2 prevented both densification during sintering and transformation from metallic phases to semiconducting phase during annealing treatment. In all specimens, electrical conductivity and thermal conductivity decreased with oxidation time. The Seebeck coefficient was positive and small for pure FeSi2. and/or the oxidized specimens fabricated from (α+ε)-phases. However, it was negative and showed a maximum peak at about 500K for the oxidized FeSi2 fabricated from β-phase. The value of maximum peak increased with oxidation time. FeSi2의 열전물성에 있어서 산소의 역할을 규명하기 위해서, 고온상(α+ε)과 저온상(β) FeSi2 시료에 대해 산화처리에 따른 열전물성 측정 및 분석실험을 행하였다. 산화에 의해 소결밀도가 감소하였으며, 반도체상으로의 전이도 방해되었다. 모든 시료에서 도전율과 열전도율은 산화처리시간과 함께 감소하였다. 순수한 FeSi2 및 고온상(α+ε)을 산화처리한 시료의 Seebeck 계수는 작은 양의 값을 나타낸 반면에, 저온상(β)을 산화처리한 FeSi2는 음의 값을 나타내었으며 약500K부근에서 최대값을 나타내었다. 또 산화시간과 함께 최대값도 증가하였다.

β-FeSi₂의 열전변환특성에 미치는 분말산화의 영향

배철훈,Kunihito Koumoto 한국세라믹학회 2003 한국세라믹학회지 Vol.40 No.11

For the purpose of making clear the role of oxygen in the thermoelectric properties of FeSi$_2$, thermoelectric measurements and spectroscopic characterization were conducted for the oxidized specimens fabricated from ($\alpha$+$\varepsilon$)-phases and/or $\beta$-phase. Addition of oxygen to FeSi$_2$ prevented both densification during sintering and transformation from metallic phases to semiconducting phase during annealing treatment. In an specimens, electrical conductivity and thermal conductivity decreased with oxidation time. The Seebeck coefficient was positive and small for pure FeSi$_2$. And/or the oxidized specimens fabricated from ($\alpha$+$\varepsilon$)-phases. However, it was negative and showed a maximum peak at about 500 K for the oxidized FeSi$_2$ fabricated from $\beta$-phase. The value of maximum peak increased with oxidation time. $\beta$-FeSi$_2$의 열전물성에 있어서 산소의 역할을 규명하기 위해서, 고온상 ($\alpha$+$\varepsilon$)과 저온상 ($\beta$)-FeSi$_2$ 시료에 대해 산화처리에 따른 열전물성 측정 및 분석실험을 행하였다. 산화에 의해 소결밀도가 감소하였으며, 반도체상으로의 전이도 방해되었다. 모든 시료에서 도전율과 열전도율은 산화처리시간과 함께 감소하였다. 순수한 FeSi$_2$ 및 고온상 ($\alpha$+$\varepsilon$)을 산화처리한 시료 Seebeck 계수는 작은 양의 값을 나타낸 반면에, 저온상 ($\beta$)을 산화처리한 FeSi$_2$ 는 음의 값을 나타내었으며 약 500K 부근에서 최대값을 나타내었다. 또 산화시간과 함께 최대값도 증가하였다.

반응소결법으로 제조한 p형 β-SiC의 열전특성

배철훈 국제차세대융합기술학회 2023 차세대융합기술학회논문지 Vol.7 No.2

SiC는 불순물 고용에 의해 p형 및 n형 전도의 제어가 용이해서 고온용 전자부품소재로 활용이 가능한 재료이다. 특히 2000℃에서 제작한 다공질 n형 β-SiC 반도체의 경우, 고온에서의 도전율 값이 단결정 SiC와 비교해서비슷하거나 오히려 높은 값을 나타내었으며, 반면에 열전도율은 치밀한 SiC 세라믹스와 비교시 1/10∼1/30 정도로낮은 값을 나타내었다. 본 연구에서는 SiC의 소결온도를 낮추기 위해 p형 β-SiC에 함침 시킨 Polycarbosilane(PCS) 의 열분해에 의한 반응소결 공정(1500~1600℃)으로 다공질 소결체를 제작하였다. 함침 및 재소결 공정에 의해 도전율과 Seebeck 계수가 증가하였고, 열전변환 효율을 반영하는 Power Factor는 2000℃에서 상압소결 공정으로제작한 다공질 p형 α-SiC 반도체에 비해 다소 작게 나타났지만, 출발시료인 p형 β-SiC 분말의 캐리어농도, 성형압력, PCS 함침조건 및 재소결 등의 세밀한 제어를 통해 반응소결 공정으로 제작한 SiC 반도체의 열전물성은 크게 향상될 것으로 판단된다.

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

AlN 첨가 SiC 세라믹스의 열전변환특성

배철훈 ( Chul Hoon Pai ) 대한금속재료학회(구 대한금속학회) 2012 대한금속·재료학회지 Vol.50 No.11

The effect of an AlN additive on the thermoelectric properties of SiC ceramics was studied. Porous SiC ceramics with 48-54% relative density were fabricated by sintering the pressed a-SiC powder compacts with AlN at 2100-2200˚C for 3 h in an Ar atmosphere. In the undoped specimens, the Seebeck coefficients were positive (p-type semiconducting) possibly due to a dominant effect of the acceptor impurities (Al, Fe) contained in the starting powder. With AlN addition, the reverse phase transformation of 6H-SiC to 4H-SiC was observed during the sintering process. The electrical conductivity of the AlN doped specimen was larger than that of the undoped specimen under the same conditions, which might be due to a reverse phase trans-formation. The Seebeck coefficient of the AlN doped specimen was also larger than that of the undoped specimen. The density of specimen and the amount of addition had significant effects on the thermoelectric properties.

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.

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.

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.

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.